2.3 Механизм лазерной генерации света

Термин "лазер" образован из начальных букв английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» что в переводе означает «усиление света под действием вынужденного излучения».

Для изучения механизма лазерной генерации света рассмотрим процессы в среде, обладающей следующими свойствами:

1. Некоторые атомы, которые присутствуют в этой среде имеют энергии уровней и , между которыми возможны переходы с излучением света с частотой . Остальное пространство в этой среде заполнено атомами или вакуумом, которые не поглощают свет этой частоты.

2. Мы имеем возможность изменить населенность на уровнях 1 и 2 произвольно, то есть так, как нам надо.

Рис. 2-4. Вынужденное излучение среды, в котором есть атомы с энергетическими уровнями 1 и 2. Кружками отмечены положения этих атомов; крестом − атомы находящихся в состоянии 2.

Сначала рассмотрим процессы в среде, имеющей произвольную форму, как показано на рис. 2-4. Атом а) (сверху слева) находится в возбужденном состоянии 2. Он произвольно (спонтанно) излучает квант света частоты при переходе из состояния 2 в состояние 1, в направлении . Распространяясь в среде, квант будет вынуждать атомы, которые находятся в состоянии 2, излучать кванты света, согласно постулатам Эйнштейна:

1. с той же частотой;

2. в том же направлении;

3. с той же фазой;

4. той же поляризации.

Этот квант света, взаимодействуя с ближайшим атомом в состоянии 2, может индуцировать переход на уровень 1 с излучением кванта света. Но такой вынужденный переход произойдет не обязательно, а с определенной вероятностью, как мы это видели раньше. В среде очень много атомов и такой переход обязательно произойдет на каком-либо одном из них. Тогда в направлении будет распространяться уже два кванта света, то есть в два раза увеличится плотность излучения и, согласно соотношению (2.3), во столько же раз и вероятность вынужденных переходов. Итак, при взаимодействии с третьим атомом вероятность перехода возрастет. Очевидно, в такой среде будет нарастать лавина квантов и мощность светового потока будет тем больше, чем длиннее путь в среде проходит этот поток, поскольку в процесс вынужденного излучения будет привлекаться большее количество атомов в состоянии 2.

Но наряду с вынужденным излучением, будет и поглощение этих квантов атомами, которые находятся в состоянии 1. Итак, вынужденное излучение будет расти только в таких условиях, когда число переходов с 2→1 больше числа переходов с 1→2. Допустим, что актов излучения в активной среде больше, чем актов поглощения. Очевидно, что это произойдет тогда, когда атомов в состоянии 2 больше, чем в состоянии 1. Если эти условия выполняются, то среда будет излучать.

Атом а), который излучил первый квант и от него взял свое начало поток квантов, мы выбрали произвольным. Им может быть какой-то другой атом и излучать не в направлении , а в каком-либо другом. Итак, избранное нами тело произвольной формы будет излучать во все стороны. Оно ничем не будет отличаться от раскаленного тела и его КПД в светолучевых установках будет низким.

Для того, чтобы повысить КПД, изготовим из активной среды стержень, торцы которого перпендикулярны его оси качественно отполированы, и например, круглого сечения (рис. 2-5). Очевидно, что кванты света, излучаемые в результате спонтанного перехода, будут усиливаться вынужденными переходами больше всего в направлении оси стержня и меньше − перпендикулярно его оси. Поэтому такой стержень будет излучать преимущественно с двух торцов, как это показано на рис. 2-5. а. Но КПД использования света в светолучевых установках можно увеличить, установив напротив одного из торцов полностью отражающее зеркало (рис. 2-5. зеркало , слева) так, чтобы поверхность зеркала была перпендикулярна оси стержня. Благодаря этому КПД возрастет более чем в 2 раза, поскольку излучение, отраженное зеркалом, обратно в стержень, при прохождении через активную среду будет усиливаться в результате вынужденных переходов. Но еще больший выигрыш мы получим, если перед вторым торцом также установим зеркало , которое частично прозрачное, например, с коэффициентом отражения 30..50% и такое, которое не поглощает. Зеркала и должны быть установлены с большой точностью перпендикулярно оси стержня. Система, образованная зеркалами , и стержнем, называется резонатором.

Рис. 2-5. Распространение вынужденного излучения в стержне (а) и в стержне, расположены в резонаторе, который образован зеркалами и (б)

Итак, отраженный от частично прозрачного зеркала свет будет снова проходить через активную среду, усиливаться в нем, отражаться полностью от , опять проходить по стержню и одновременно усиливаться в нем, падать на зеркало , частично выходить из резонатора, а частично возвращаться в активную среду на усиление. Благодаря зеркалу в лазере создается положительная обратная связь, наличие которой обязательно для любого радиотехнического, светового генератора и т. п.

Излучение, которое вышло из резонатора, используется для практических целей.

Резонатор лазера, помимо увеличения КПД генерации, также формирует распределение интенсивности по поперечному сечению лазерного пучка, и величину угла его расхождения, то есть угла между крайними лучами в пучке. Эти характеристики пучка очень важны на практике, и подробно описаны в разделе 4.

И наконец: Устройство, имеющее резонатор, образованное зеркалами, между которыми существует среда, способная усиливать свет какой-либо определенной частоты, и источник возбуждения этой активной среды с источником питания, называется лазером.