2, Лазер — источник когерентного света

Радикальное решение задачи освоения оптич. диапазона пришло из молодой области физики -квантовой радиофизики, или квантовой электроники, которая с момента появления моле­кулярных генераторов и квантовых усилителей прочно утверди­лась как новое направление в радиофизике. И оптические квантовые генераторы (ОКГ), или Л., стали новым, еще более значительным ее завоеванием.

Идеи развивались приблизительно так: если невозможно соз­дать обычные резонаторы в оптич. диапазоне, то нельзя ли вос­пользоваться резонансными свойствами отдельных атомов и мо­лекул, а также кристаллов, к-рые, как было хорошо известно, могут избирательно излучать или поглощать свет определенной длины

волны. Эти свойства к концу 50-х гг. были достаточно хорошо изу­чены.

Как атомы, так и молекулы и кристаллы являются сложными микросистемами — образованиями, состоящими из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц, состав­ляющих атомы (для определенности будем говорить об атоме), может принимать только строго определенные значения. Эти зна­чения энергии (§i, с?₂' •••> 0 k ^наз- уровнями энергии. Система энергетич. уровней составляет энергетический

Возбужденные уровни

спектр атом а. «Нижний» уро­вень — с минимальной энергией — наз. основным, остальные — возбужденными. Энергетич. спектр изолированного атома зави­сит от его структуры. Число ато­мов, обладающих данной энергией, наз. населенностью уровня (см. Уровни энергии).

Основной уровень Рис. 4.

спектр

Энергетический атома.

Если атому, находящемуся на основном уровне $_г, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис. 4). Наоборот, возбужденный атом мо­жет самопроизвольно (сионтан-н о) перейти на один из нижеле­жащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии &_т ^на уровень энергии &_п, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света v_mn:

V

h

(1)

где h — Планка постоянная (см. Квантовый переход).

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрич. разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; пере­ходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтан­ных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волно­вых цугов. Цуги не «согласованы» друг с другом во вре­мени, т. е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома су­ществует вынужденное (или индуцированное) из­лучен и е: атомы излучают под действием внешнего быстро-

переменного электромагнитного поля, напр. света. При этом ока­зывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у к-рой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с ха­рактеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это прак-

нужно удовлетворить определенным условиям. необходим резонанс — совпадение частоты падающего света с одной из частот v_mn энергетич. спектра атома. О выполнении ре­зонансного условия позаботилась сама природа: если световой

фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня $_т на уровень <э_П1 то его частота равна v_mnn будет соответ­ствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого

же атома, т. к. энергетич. спектр одинаковых атомов абсолютно

идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных

та'. ■Ж'

атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первич­ному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсив­ную когерентную световую волну, т. е.будет осуществлена генерация .$» когерентного света. Др. условие связано с населенностью различ-Ц ных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, |- находящимися на верхнем уровне &_т, происходит также р е з о-%■ нансное поглощение атомов, населяющих нижний уро-Ь вень $°_п. Атом, находящийся на нижнем уровне $_п* поглощает Ъ световой квант, переходя при этом на верхний уровень #_ш. Резо­нансное поглощение препятствует возникновению инерции света. v Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зави-;■ сит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чюбы число атомов на верхнем уровне было больше числа атомов на нижнем уровне N_n, между к-рыми

происходит переход. можно использовать лишь ту пару

уровней, между к-рыми возможен переход, т. к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой (см. Кван­товый переход).

В естественных условиях на более высоком уровне при любой темп-ре меньше частиц, чем на более низком (см. Больцмана рас­пределение). Поэтому любое тело, сколько угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять спец. меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний

был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в к-ром число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, наз. активным, или состоянием с инверсией (обращением) насе­ленностей. Т. о., для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той нары уровней, переход между к-рыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, к-рую необходимо решить для создания Л., - это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управ­лял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из к-рых полупрозрачно (рис. 5), Испущенная в к.-л. месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за

счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается Л. во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонор.

Эта лавина не будет отличаться от в силу свойств

вынужденного испускания.

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать нек-рое значение, наз. пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зерка­лами (один проход)

Рабочее вещество Генерируемый

.... ./. . _п свет

^{1ч-':':7:--лу.".у:|лллл*}

Непрозрачное Полупрозрачное

зернало зеркало

должно быть таким, чтобы

между двумя зеркалами.

на полупрозрачное зерка­ло вернулась световая энергия, не меньшая, чем в прредыдущий раз. Только тогда световая волна нач­нет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго

прохода полупрозрачного

зеркала достигнет мень­шая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего — еще меньшая и т. д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэфф. отражения полупрозрачного зеркала, тем большим

пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для созда­ния источника когерентного света: 1. Нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить уси­ление света за счет вынужденных переходов. 2. Рабочее вещество следует поместить между зеркалами, к-рые осуществляют обрат­ную связь. 3. Усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэфф. отражения полупрозрачного зеркала. При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и наз. Л., или оптическим квантовым гене­ратором (ОКГ). Слово «лазер» составлено из первых букв англ. фразы: «Light amplification by stimulated emission of ra­diation, что означает: усиление света с помощью вынужденного

излучения.