книги из ГПНТБ / Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы

монохроматичность излучения ОКГ может быть исполь­ зована лишь в условиях, устраняющих все причины изме­ нения этого расстояния.

В одном из экспериментов гелиево-неоновый генера­ тор помещался глубоко под землей, вдали от дорог. В сейсмически спокойные моменты было получено изме­ нение частоты всего 30 гц за секунду. Напомним, что час­ тота генерации гелиево-неонового лазера равна прибли­ зительно 3- 1014 гц. Так что изменение частоты соответ­ ствовало очень малому относительному уходу частоты генерации, равному Ю-13. Это означало, что расстоя­ ние между зеркалами изменялось в течение одной секун­ ды на величину, составляющую тысячные доли диаметра: атома.

Все описанные'-тазовые и твердотельные оптические квантовые генераторы имеют очень низкий коэффициент полезного действия, не превышающий одного процента.

У полупроводниковых лазеров, открытых в конце 1962 года, К П Д измеряется несколькими десятками про­ центов. Коротко пояснить принцип работы их можно сле­ дующим образом.

Известно, что в полупроводниках электроны могут на­ ходиться либо в связанном с атомами состоянии, либо' в свободном. В первом случае говорят, что они находят­ ся в валентной зоне, во втором — в зоне проводимости. Для перевода электрона из валентной зоны в зону прово­ димости необходимо затратить некоторую энергию. Элек­ трон при этом оставляет после себя вакантное место, так называемую «дырку». В данном случае такое возбужде­ ние электронов происходит непосредственно, если прило­ жить к полупроводниковому кристаллу электрическое на­ пряжение.

Обратный процесс перехода электрона из зоны про­ водимости в валентную зону, т. е. из возбужденного в основное состояние, происходит самопроизвольно (спон-

31

танно). Это явление называется рекомбинацией электро­ на с дыркой, причем оно сопровождается излучением фотона. Рекомбинация происходит на границе двух по­ лупроводников разного типа, в р-п переходе. Фотон, из­ лученный в момент рекомбинации электрона с дыркой, стимулирует рекомбинацию других электронов. Возника­ ет индуцированное излучение в плоскости перехода. Теперь достаточно установить параллельные зеркала, т. е. образовать резонатор, чтобы получить генерацию.

Полупроводниковый лазер отличается весьма малы­ ми габаритами (порядка 1 мм3), очень высоким коэффи­ циентом полезного действия, несложной подкачкой (это просто источник тока) и возможностью модулировать — изменять интенсивность излучения, меняя силу проте­ кающего через диод тока. Благодаря этому полупровод­ никовые лазеры найдут широкое применение, хотя по мо­ нохроматичности и когерентности излучения они уступа­

ют газовым.

Эффективность полупроводниковых лазеров на арсе­ ниде галлия (рис. 9) велика: вся энергия электрического

32

тока,-пропускаемого через полупроводник, превращается-

пизлучение.

Вкачестве примера приводим данные одного из об­ разцов, разработанных в СШ А . К П Д его — около 20%,

площадь р-п перехода составляет 0,1 мм2. Этот лазер на арсениде галлия дает мощность излучения 1,5 вт, что зна­ чительно превосходит излучение газовых. Для получения такой мощности необходимо затратить всего 6,3 вт. Нет принципиальных препятствий для изготовления более мощных квантовых генераторов. Для этого необходимо увеличить площадь р-п перехода.

Подобные лазеры дадут возможность построить опти­ ческие локаторы, которые с большой точностью позволят определить координаты спутников и межпланетных кораблей.

Большую работу по теоретическим и эксперименталь­ ным исследованиям полупроводниковых О К Г проводят советские ученые. За ведущую роль в исследованиях, ко­ торые привели к созданию полупроводниковых оптиче­ ских квантовых генераторов, В. М . Вулу, О. Н. Крохину^ Ю. М . Попову, А. П. Шотову, Д . Н. Наследову, С. М . Р ы б ­ к и н у , А. А. Рогачеву и Б. В. Царенкову в 1964 году была присуждена Ленинская премия.

Изобретение полупроводниковых лазеров дало новый мощный толчок развитию квантовой электронике. Наряду с тем, что сейчас продолжаются большие работы по улуч­ шению характеристик О К Г в освоенных участках спект­ ра, ученые ищут новые принципы генерации и усиления электромагнитного излучения. Несомненно, что в скором времени появятся приборы на диапазон волн от 100 мк до 1 мм, т. е. будет перекрыт разрыв между инфракрас­ ными лазерами и обычной радиотехникой. С другой сто­ роны, будут созданы квантовые генераторы ультрафиоле­ тового, а в дальнейшем, может быть, рентгеновского к гамма-излучения.

33

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА

До изобретения лазеров казалось, что физики хорошо изучили процесс распространения световых волн в проз­ рачных телах и что здесь трудно ожидать каких-нибудь неизвестных явлений. Но от этого взгляда пришлось от­ казаться после первых же опытов, проведенных с лазе­ рами.

Уже в 1961 году был обнаружен эффект изменения частоты лазерного луча, падающего на кристалл кварца. Если луч очень мощного рубинового О К Г с Я=0,6943 мк сфокусировать на квардевую пластинку, то, как было ус­ тановлено, из пластинки выходит не только красный свет

ше частоты основного колебания, называются гармони­ ками— второй гармоникой, третьей, четвертой и т. д.

Эффект появления второй гармоники на низких час­ тотах, например, в радиотехнике, хорошо известен, но в оптике он никогда раньше не наблюдался из-за недоста­ точной интенсивности и когерентности применявшихся источников света. Дальнейшие опыты с лазерным лучом показали, что когда на кристалл направляются два ла­

ной частоте.

Взаимодействие между собой двух лучей света в кор­ не противоречит старой, уже давно господствующей в оп­ тике концепции. Она утверждает, что два луча света в

34

*

прозрачной среде, проходящие по одному пути, совер­ шенно не зависят один от другого, не взаимодействуют, потому что среда, в которой распространяется свет, «ли­ нейна», т. е. ее показатель преломления и другие оптиче­ ские характеристики не зависят от напряженности поля

световой волны.

Опыты же с лазерами говорят, что это не всегда так, что при очень большой интенсивности поля, получаемой от квантовых генераторов, показатель преломления мно­ гих кристаллов начинает зависеть от мгновенного значе­ ния электрического поля волны. Эти «нелинейные» эф­ фекты искажают световую волну, приводят к изменению частоты проходящего через кристалл света. Здесь можно провести полную аналогию с обычной радиотехникой: для получения гармоник переменного электрического тока его нужно пропустить через «нелинейный» элемент (радио­ лампу или полупроводник), в котором ток не пропорцио­ нален приложенному напряжению; с «линейным» элемен­ том (обычным сопротивлением) получить изменение час­ тоты невозможно.

Описанные явления не только интересны с точки зре­ ния физики, но и могут оказаться очень полезными. Так, имея один лазер, можно получить когерентное излучение и на других, более высоких частотах. В одной из лабора­ торий удалось генерировать импульсы зеленого света (/,=0,53 мк) мощностью около 100 кет, используя инфра­ красное излучение неодимового лазера (А.= 1,06 мк)\ в зеленый свет превращалось около 20% инфракрасной энергии. Это стало возможно, конечно, лишь в результате большой работы по подбору материала и ориентации пре­ образующего кристалла, параметров О К Г и т. д. Вместо кварца, применявшегося в первых опытах, теперь упог^

;;5

о

режиме гигантских импульсов, чтобы обеспечить макси­ мальную мощность и, следовательно, наибольшие нели­ нейные эффекты.

Другой способ изменения частоты лазера основан на так называемом раман-эффекте, или комбинационном рассеянии света. Это явление было открыто в 1.928 году советскими физиками Л . И . Мандельштамом и Г. С . Ланд­ сбергом и независимо от них индийским ученым Раманом. Оно заключается в том, что монохроматический свет, проходя через среду, частично рассеивается с изменением длины волны. Вместо одной частоты в рассеянном свете обнаруживается целый набор частот, отличающихся от частоты падающего света на величину, равную собствен­ ным частотам молекул среды. Такое рассеяние с измене­ нием частоты очень незначительно в обычных условиях, но может быть усилено в миллионы раз, если использо­ вать излучение импульсного лазера. Например, пропус­ кая через нитробензол мощный импульс красного света от рубина, получают несколько длин волн — от зеленого света до невидимого инфракрасного. Эти лучи с изменен­ ной длиной волны очень интенсивны и сохраняют коге­ рентность первоначального луча О КГ.

Еще один интересный нелинейный эффект — обнару­ женная недавно возможность видеть инфракрасное излу­ чение лазера невооруженным глазом. Известно, что длинноволновая граница чувствительности глаза для есте­ ственных источников света составляет примерно 0,75 микрона. Излучение лазеров видно как яркий красный свет по крайней мере до длины волны 0,95 микрона. Не­ линейный эффект, о котором упомянуто выше, позволяет видеть еще более длинноволновое инфракрасное излуче­ ние— вплоть до Я=1,2 микрона. Это излучение воспри­ нимается глазом уже не красным, а зеленым, желтым или оранжевым, в зависимости от длины волны. Если на глаз падает когерентное излучение лазера с длиной волны

36

1,12 мк, то оно кажется желто-зеленым, т. е. имеет цвет второй гармоники (0,56 мк). Эти эксперименты проводи­ лись с лазером, работающим в режиме отдельных корот­ ких вспышек, чтобы не повредить глаз чрезмерно мощ­ ным лучом.

Эксперименты по получению световых волн с суммар­ ной частотой и по раман-эффекту в когерентном луче по­ могают лучше понять строение вещества и процесс рас­ пространения в нем света. Опыт наблюдения «цвета» ин­ фракрасного излучения интересен и для исследователей в области физиологии зрения.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Лазеры существуют всего несколько лет, но уже сей­ час можно рассказать о некоторых очень интересных сферах их использования.

Прежде всего следует отметить возможность приме­ нения О К Г для связи на большие расстояния. Схема свя­

Рис. 10.

37

элемент, на выходе которого получается электрическое напряжение.

Как передать речь с помощью оптического генерато­ ра? Микрофон преобразует звуковые колебания в элек­ трический сигнал. Этот сигнал употребляется для моду­ ляции яркости выходного луча. Фотодетектор принимает этот луч на большом расстоянии, и световой сигнал пре­ образуется сначала в электрический, а затем в звуковой.

Отличительная особенность оптической связи — край­ не узкая направленность излучения. Угол расхождения луча О К Г может быть значительно уменьшен, если перед излучением в пространство увеличить диаметр луча, как это показано на рис. 10. Угол расхождения 7 определя­ ется отношением длины световой волны к диаметру луча,.

выходящего из передатчика I т = -

Высокая направленность излучения позволяет осу­ ществлять связь на колоссальные расстояния передатчи­ ком с небольшой мощностью. Подсчитано, что мощности оптического генератора 10 кет достаточно для передачи информации на расстояние до ближайшей звезды. Такая направленность излучения не достижима радиотехничес­ кими средствами, так как длина радиоволн в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем у лазеров.

Наиболее успешно лазеры могут быть использованы для связи в космосе, где отсутствует поглощающая свет атмосфера и где кривизна поверхности Земли не мешает связи на дальние расстояния. Лазеры ставятся на спут­ ники для определения их координат.

В 1963 году советские ученые осуществили светолокацию Луны. Для этого вспышка рубинового О К Г с энер­ гией 50—70 джоулей была послана на Луну через большой телескоп Крымской обсерватории, и спустя 2,6 секунды принят слабый, отраженный световой им­ пульс.

38

Существуют портативные лазерные дальномеры для измерения небольших (5—-10 км) расстояний до предме­ тов по времени задержки прихода отраженного светово­ го импульса.

Очень высокая направленность излучения лазера по­ зволит передавать энергию на удаленные объекты по лу­ чу О К Г. На искусственном спутнике можно установить фотоэлементы, преобразующие в электроэнергию свет квантового генератора, находящегося на Земле.

Капиталистическая пресса любит часто повторять из­ мышления милитаристских фанатиков о возможности применения сверхмощного лазерного луча в качестве ра­ диационного оружия для уничтожения межконтиненталь­ ных ракет. Но задача построения такого «гиперболоида» очень трудна, так как требует достижения сказачно ко­ лоссальной мощности луча и создания методов его фо­ кусировки на удаленном быстро движущемся предмете небольших размеров. Некоторые зарубежные ученые счш тают эту задачу нереальной.

Сверхмощные световые пучки лазера могли бы обез­ опасить космический корабль в межзвездном полете от столкновений с метеорами — крошечными твердыми час­ тицами размером от песчинки до десятитысячной доли миллиметра. Силой удара метеора пренебрегать нельзя, при огромных скоростях она равна многим десяткам

тонн.

Интересно применение мощных импульсных лазеров

пластинки, то в момент импульса вся энергия выделится на очень маленьком участке, произойдет сильный мест­ ный нагрев металла—-до многих тысяч градусов, и ме­ талл в этом месте испарится, хотя вся пластинка останет­ ся холодной, она не успеет нагреться за время импульса (тысячные доли секунды). Этим способом можно делать

39

небольшие отверстия в металле, да и в других, даже са­ мых тугоплавких и твердых материалах, например в ал­ мазе. В момент вспышки можно произвести спектраль­ ный анализ прожигаемого образца: для этого достаточно сфотографировать спектрографом раскаленные пары ис­ паряющегося материала.

Проверено, что сфокусированным лучом импульсного лазера несколько меньшей мощности можно производить точечную сварку металлов. Для этого луч лазера направ­ ляют на границу двух свариваемых металлических лис­ тов, в, момент импульса он их сплавляет. Интересно от­ метить, что таким способом свариваются самые тугоплав­ кие материалы и такие металлы, которые плохо под­ даются точечной электросварке, например медь. Вторая особенность этого метода — очень малая площадь сварки.

Множество других применений лазера находится в стадии лабораторных опытов. Химики предлагают ис­ пользовать оптические генераторы для ускорения и из­ менения хода химических реакций. Им необходим корот­ коволновый лазер с большой энергией фотона, достаточ­ ной для разрыва внутримолекулярных связей.

О К Г заинтересовались даже биологи и врачи. Свето­ вой луч может служить хирургическим инструментом для операции на глазу при отслоении сетчатки. Облучение рубиновым лазером уничтожает раковую опухоль, не по­ вреждая здоровые ткани.

Лазеры в сочетании с другими оптическими прибора­ ми определят в будущем возникновение принципиально новых вычислительных машин, которые будут отличать­ ся от электронных тем, что по их «венам» побегут не злектрические сигналы, а световые. Металлические про­ вода в этих вычислительных устройствах заменятся све­ товодами— тонкими стеклянными волокнами, внутри ко­ торых световой луч распространяется при любых изги­ бах. Если в материал этих световодов ввести активные

40