8.2. Вынужденное (индуцированное) излучение. Лазер. Свойства лазерного излучения. Применение лазера

Вынужденное (индуцированное, стимулированное) излучение – излучение возбужденных атомов (молекул, ионов), вызванное действием на вещество падающего на него света.

Электромагнитное поле световой волны стимулирует переход атомов (молекул, ионов) из возбужденного энергетического состояния в низшее (нормальное, основное) энергетическое состояние. Фотоны, излученные атомами (молекулами, ионами) при переходе из одного (возбужденного) энергетического состояния в другое (нормальное, основное), ничем не отличаются от фотонов падающего света.

В результате вынужденного излучения интенсивность электромагнитной волны, проходящей через вещество, увеличивается. При этом неизменными остаются частота волны, направление ее распространения, фаза и поляризация. Вынужденное излучение атомов (молекул, ионов) строго когерентно с вынуждающим излучением.

При прохождении света через вещество может наблюдаться и процесс поглощения света: невозбужденные атомы (молекулы, ионы) поглощают фотоны и переходят в возбужденное состояние.

Усиливающая (активная) среда или среда с отрицательным поглощением света – среда, в которой процесс, приводящий к увеличению числа фотонов (вынужденное излучение), преобладает над процессом, уменьшающим число фотонов (поглощение света).

Инверсное состояние среды – неравновесное энергетическое состояние, в котором число атомов (молекул, ионов), находящихся в возбужденном состоянии превышает число невозбужденных атомов.

Накачка – процесс перевода среды из обычного в инверсное состояние.

М етод накачки в случае трехуровневой системы: 1) атомы переходят в возбужденное состояние 3 (рис. 55) при поглощении света от вспышки мощной лампы; в этом состоянии атомы находятся в течение отрезка времени ~ 10^-8с; 2) атомы самопроизвольно (спонтанно) переходят в состояние 2, «время жизни» в котором в 100000 раз больше (~ 10^-3с); энергия, отданная атомами среды при этом переходе, поглощается кристаллической решеткой.

Вынужденное излучение при переходе атомов с уровня 2 на уровень 1 происходит под действием проходящей в веществе электромагнитной волны. Эта электромагнитная волна является следствием спонтанного перехода некоторых возбужденных атомов с уровня 2 на уровень 1 с испусканием фотонов оптической частоты (первичные фотоны). Каждый первичный фотон инициирует появление лавины вторичных фотонов, имеющих то же направление, что и первичный фотон. Первичные фотоны рождаются несогласованно во времени и движутся после рождения по всевозможным направлениям.

Мощную лавину вторичных фотонов создают следующим образом: усиливают потоки фотонов вдоль какого-либо выделенного направления (эту операцию осуществляет оптический резонатор).

Простейший оптический резонатор – система из двух зеркал, перпендикулярных к некоторому выделенному направлению, вдоль которого будет распространяться усиленный свет. Слабая лавина первичных фотонов, распространяющихся вдоль оси оптического резонатора, усиливается по мере движения вторичными фотонами. Многократное отражение фотонной лавины от зеркал увеличивает время инициирования вынужденного излучения первичными фотонами и, соответственно, мощность лавины вторичных фотонов. При достижении необходимой интенсивности свет выходит через частично прозрачное зеркало (выходное зеркало). В процессе получения мощной фотонной лавины вдоль оси оптического резонатора все фотоны, излученные в других направлениях, покидают активную среду.

Трехуровневой энергетический системой является рубин – кристалл оксида алюминия Aℓ₂O₃ с примесью атомов хрома (около 0,05%).

Лазер – прибор, служащий для усиления света при помощи индуцированного излучения.

Виды лазеров: 1) газовые; 2) твердотельные; 3) полупроводниковые.

Свойства лазерного излучения:

1) Высокая степень когерентности. Она определяет высокую степень монохроматичности и малую расходимость лазерного луча. Излучение лазера представляет собой совокупность практически параллельных лучей, которые можно сфокусировать в световое пятно диаметром порядка всего лишь длины волны света, т. е. порядка 1 – 10 мкм.

2) Большие значения интенсивности (10⁵ Вт/см²). Для сравнения, средняя интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности имеет значение 0,1Вт/см², т.е. в миллион раз меньше.

Применение лазера: 1) в промышленности (изготовление микросхем, резка металлов и их сварка, термообработка металлов (лазерная закалка), легирование и т. д.); 2) в медицине (в качестве скальпеля при операциях на внутренних органах брюшной и грудной полости, в офтальмологии, в онкологии и т. д.); 3) в локации и измерительной технике (локация Луны, дальномеры, системы лазерного наведения ракет на цель и т.д.); 4) в оптической голографии; 5) в лазерной связи; 6) в системах обработки информации (возможность создания оптических вычислительных машин); 7) в лазерном контроле.