Глава 7. Лазер

Первые лазеры появились во второй половине 50-х годов прошлого века. Их создатели советские физики Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, американец Ч.Таунс и др. Русское название этого устройства - оптический квантовый генератор (ОКГ). Но английская аббревиатура оказалась более удачной. Лазер –LASER сокращение от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством вынужденного испускания излучения. В этом названии удачно сформулирована основная идея, положенная в основу работы этого устройства.

7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни

В основе объяснения функционирования лазера три понятия «три слона»:

1) Вынужденное(или индуцированное, или стимулированное – это всё синонимы) излучение.

2) Инверсная заселённость энергетических уровней.

3) Метастабильные уровни.

1. Вынужденное излучение – излучение возбуждённого атома под действием внешнего фотона.

При переходе с возбуждённого уровня Е₂ на нижний уровень Е ₁ (рис. 7.1 а) может быть испущен фотон. Его энергия = Е₂ - Е ₁ , а длина волны =.

При спонтанном (самопроизвольном) излучении переходы могут быть с разных уровней на разные и следовательно сопровождаться излучениями с разными длинами волн. К тому же излучения разных атомов несогласованные, с разными фазами и в разных направлениях.

При вынужденном излучении ( рис. 7.1 б) на возбуждённый атом действует внешний фотон с такой длиной волны , что его энергия равна разности энергий возбуждённого и ниже расположенного уровня: = Е₂ - Е ₁ . При этом атом совершает переход с уровня Е₂ на уровень Е ₁ и излучаются два фотона, совершенно идентичных первичному: с той же энергией, частотой, длиной волны, фазой и направлением распространения. Воспользовавшись биологической терминологией, можно сказать происходит «клонирование» фотонов.

а) б)

Рис. 7.1. Спонтанное (самопроизвольное) излучение -а, Вынужденное (индуцированное) излучение -б.

Но для усиления света посредством вынужденного излучения требуется ешё и инверсная заселённость уровней.

2) Инверсная заселённость энергетических уровней – когда на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем (рис. 7. 2 б).

При обычной заселённости ( рис. 7.2 а), когда на нижнем уровне атомов больше, чем на верхнем, внешние фотоны чаще взаимодействуют с невозбуждёнными атомами и поглощаются, вызывая их переход на верхний уровень. При этом свет будет ослабляться.

И только при инверсной заселённости будет чаще происходить взаимодействие внешних фотонов с возбуждёнными атомами, чем с невозбуждёнными. Вынужденное излучение будет превалировать над поглощением, и свет будет усиливаться. Начнётся лавинообразное нарастание числа фотонов, потому что вторичные фотоны будут вызывать новое индуцированное излучение и т.д.

а) б)

Рис. 7.2. Обычная заселённость-а и инверсная заселённость энергетических уровней-б

Но чтобы создать инверсную заселённость уровней, надо, чтобы возбуждённый уровень был метастабильным.

2. Метастабильный уровень – такой, на котором атом задерживается больше, чем 10^-3 с, значительно дольше, чем на обычном уровне (10^-7 с). На метастабильном уровне можно «накопить» достаточное количество атомов для создания инверсной заселённости.

7.2. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ (Hе –Nе) ЛАЗЕР

Первый лазер, работающий в оптическом диапазоне – рубиновый лазер (1960 год) работал в импульсном режиме. Он испускал красные лучи с длиной волны 694,3нм. Мощность импульса достигала 1 МВт. Этот лазерный луч мог прожигать отверстия в монетах. Даже в то время в связи с этим вспомнили про знаменитый фантастический роман А.Н.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Но наибольшее распространение получил созданный в этом же году источник «мягкого» непрерывного излучения: Hе –Nе лазер.

На рисунке 7.3 а представлена схема устройства Hе –Nе лазера, а на рисунке 7.3 б упрощённая схема расположения энергетических уровней гелия и неона.

б)

Рис.7.3. Схема устройства Hе –Nе лазера -а. Упрощённая схема расположения энергетических уровней гелия и неона -б .

В газоразрядной трубке Т (см. рис.7.3 а ) при пониженном давлении около 1 мм.рт.ст. содержатся атомы Не - о и Ne – Гелия в 10 раз больше, чем неона. При помощи источника высокого напряжения И в трубке происходит электрический разряд, при котором атомы Не возбуждаются и переходят на возбуждённые уровни ( рис.7.3 б). Возбуждённый уровень Не - 2 -метастабильный, на нём накапливается большое число возбуждённых атомов. Он близок к уровню 3 Nе. При соударениях возбуждённых атомов Не с невозбуждёнными Nе атомы гелия передают свою энергию атомам неона и таким образом увеличивают заселённость третьего неонового уровня. А уровень 2 неона «разгружается», потому что размеры трубки подобраны так, чтобы при столкновении с её стенками атомы неона отдавали энергию и переходили на уровень 1 . Таким образом, образуется инверсная заселённость уровня 3 неона относительно уровня 2. Теперь при спонтанных переходах Nе с третьего на второй уровень рождаются фотоны, которые способны вызвать вынужденные переходы с 3 на 2, а это сопровождается лавинообразным нарастанием числа фотонов. Длина волны излучения 632,8нм.

Важную роль играют строго плоскопараллельные непрозрачное зеркало З₁ и полупрозрачное З₂ Фотоны, отражаясь от них , много раз пробегают через рабочее вещество лазера и частично выпускаются через З₂ .

Зеркала нужны, чтобы:

а) увеличить вероятность взаимодействия фотонов с возбуждёнными атомами,

б) отобрать для «размножения» только те фотоны, которые летят вдоль оси трубки.

В наше время существует большое число различных типов лазеров. Например, широкое применение получили полупроводниковые лазеры. У них более низкое качество излучения, но благодаря своей невысокой цене и низкому энергопотреблению они используются во множестве областей науки, техники, медицины и промышленности.

7.3. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Широкое применение лазеров для самых различных нужд человеческой практики, в том числе в фармации и медицине обусловлено замечательными свойствами лазерного излучения:

1. монохроматичностью – одна длина волны, одна частота;

2. когерентностью – одинаковые фазы испускаемых лазером электромагнитных волн;

3. строгой направленностью лазерного луча - узкий пучок;

4. возможностью получать большие интенсивности.

7.4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ФАРМАЦИИ И МЕДИЦИНЕ

Использование лазеров в фармации и медицине весьма разнообразно.

Вначале предполагалось, что наиболее перспективно применение лазерного излучения большой интенсивности в хирургии для бескровной и сверхтонкой хирургии. Лазерный луч большой интенсивности вызывает коагуляцию белков и заваривает кровеносные сосуды. Узкие лазерные лучи с успехом применяются в офтальмологии для исправления различных дефектов зрения.

Но в настоящее время гораздо более широкое применение нашли лазеры – источник мягкого излучения в терапии, в том числе, в сочетании с фармацевтическими препаратами. Лазер с успехом применяется для лечения самых различных болезней: от дерматитов и трофических язв до ишемической болезни сердца.

Лазер применяется и в медицинской диагностике. Вспомним хотя бы лазерный голографический интрогастроскоп (см. раздел II, главу 6, параграф 6.5).

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 7

1.В чём отличия спонтанного и вынужденного излучений?

2.Почему для усиления света посредством вынужденного излучения необходимы инверсная заселённость уровней и метастабильные уровни?

3. Каков механизм возникновения «лавины фотонов» в лазере?

4. Для чего служат плоско-параллельные зеркала в гелий-неоновом лазере?

5. Для каких целей применяются лазеры в медицине фармации? Какие свойства лазерного излучения позволяют достичь эти цели?

6 Для лечения глаукомы на больной глаз воздействовали импульсами лазерного излучения длительностью 3 нс на длине волны 532 нм. Средняя энергия импульса 1,5 мДж. Диаметр «пятна» лазерного луча на поверхности глаза 400 мкм. Какова интенсивность импульса лазерного излучения на поверхности глаза?