книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров

Испускание по команде. Полвека назад,

в 1917 г., автор теории относительности А. Эйн­ штейн теоретически исследовал процесс взаи­ модействия света с веществом. Исключитель­ ная научная интуиция ученого, привычка глу­ боко осмысливать экспериментальные данные привели Эйнштейна к совершенно неожидан­ ному выводу, что частицы могут излучать не только самопроизвольно, спонтанно, но и под действием внешнего излучения, т. е. выну­ жденно. Отсюда следует, что частицу с верх­ него уровня на нижний можно столкнуть при помощи внешнего излучения. При этом части­ ца испускает квант света, тождественный па­ дающему. Такое испускание в соответствии с физической сущностью процесса было на­ звано вынужденным, индуцированным, или стимулированным испусканием. Вынужденное излучение открывает пути управления испуска­ нием микрочастиц и дает возможность заста­ вить испускать их «по команде». Явление вынужденного испускания и лежит в основе работы оптических квантовых генераторов света.

Световые близнецы. Вынужденное, стиму­ лированное излучение по существу ничем не отличается от света, вызывающего это излуче­ ние. Квант света, встречая на своем пути возбужденную частицу, как бы выбивает из нее точно такой же квант. Новый фотон имеет то же направление распространения, длину волны, поляризацию и другие характе­ ристики, что и падающий свет. Свет, стимули­ рующий вынужденное испускание, при этом нисколько не изменяется. Таким образом,

10

в результате вынужденно­ го испускания в простран­ стве вместо одного фото­ на появляются два фото- на-близнеца, т. е. проис­ ходит увеличение интен­ сивности света.

Процесс вынужденно­ го испускания прямо про­ тивоположен хорошо из­ вестному процессу погло­ щения света в веществе. При поглощении квант света исчезает, при вы­ нужденном испускании, наоборот, появляется еще один квант.

Световая лавина. Мы уже знаем, что при вы­ нужденном испускании квант внешнего излуче­ ния, встретив на своем пути возбужденную час­ тицу, как бы разряжает ее, выбивая из нее_ еще один квант.

Если эти два фотона встретят невозбужденные частицы, то фотоны погло-

Возбужденный атом под дейст­ вием фотона переходит в основ­ ное состояние и испускает точно такой же фотон

П

Лавинообразное нарастание числа фотонов в активной среде

тятся ими и процесс прекратится. В среде, в ко­ торой возбужденных частиц больше, чем невозбуждениых, фотоны чаще будут сталкиваться с возбужденными частицами. При такой встрече каждый из них выбивает еще по одному допол­ нительному фотону. Число фотонов, а следова­ тельно, интенсивность света начинают быстро увеличиваться.

В результате в среде развивается лавинный процесс, своеобразная реакция, напоминающая цепную ядерную реакцию. Интенсивность света увеличивается, как скатывающийся с горы снежный ком, образующий мощную лавину. Такой процесс нарастания числа квантов и про­ исходит в оптических квантовых генераторах. Если в эту лавину удается вовлечь все или почти все возбужденные частицы, то среда на­ чинает излучать мощный пучок света — гене­ рировать свет.

12

Сердце генератора. В обычных условиях вещество всегда ослабляет проходящий через него свет. Происходит это потому, что число невозбужденных частиц всегда больше числа возбужденных. В такой среде поглощение преобладает над испусканием. Как мы уже видели, вынужденное испускание открывает возможность создания среды, которая будет не ослаблять, а усиливать проходящий через нее свет. Но для этого вещество должно быть приведено в такое состояние, в котором боль­ шая часть частиц возбуждена, а процессы вы­ нужденного испускания преобладают над про­ цессами поглощения. Такие усиливающие свет среды называют активными, или средами с инверсной (обратной) населенностью частиц по энергетическим уровням. При инверсной населенности хотя бы на одном из возбужден­ ных уровней число частиц будет больше, чем на каком-либо другом уровне с меньшей энер­ гией. В поглощающих средах, наоборот, чем выше энергетический уровень, тем меньше на нем частиц. Активная среда — это не новое особое вещество, а обычное вещество в особом состоянии. Такое состояние может быть реали­ зовано в твердых телах, жидкостях и газах. Активная среда является одним из основных элементов оптических квантовых генераторов. Без нее работа этих новых устройств невоз­ можна. Активная среда — сердце генератора.

Питание генератора. Для перевода среды в активное состояние ей необходимо сообщить определенную энергию, среду необходимо «на­ качать» энергией. Значит, должно быть внеш­ нее воздействие, которое возбуждает частицы

13

и тем самым создает активную среду. Такое воздействие, служащее источником энергии для генерации, называют накачкой. При этом необходимо, чтобы величина накачки превы­ шала определенное значение, называемое по­ рогом.

Квантовые генераторы — это своеобраз­ ные трансформаторы, в которых энергия внеш­ него воздействия превращается в энергию остронаправленного монохроматического све­ тового луча.

Существует несколько способов накачки. В генераторах на твердых телах (кристаллах, стеклах, пластмассах) и жидкостях для созда­ ния активной среды обычно используют мощный световой поток, так называемую опти­ ческую накачку. В газовых лазерах возбужде­ ние среды производится электрическим разря­ дом переменного либо постоянного тока. Иногда используется оптическая накачка.

Генерация в полупроводниках может быть возбуждена при прохождении тока через полу­ проводниковый диод, оптически, например ла­ зерным лучом, а также пучком быстрых элек­ тронов.

Следует иметь в виду, что обычным нагре­ ванием создать активную генерирующую сре­ ду невозможно. Хотя при нагревании число частиц на верхних уровнях увеличивается, однако оно всегда меньше числа частиц на нижнем уровне. Поэтому, как бы ни была вы­ сока температура, нагретое тело будет только поглощать, но никак не усиливать падающее на него излучение. Вот почему квантовые ге­ нераторы — это холодные источники света.

14

Световая ловушка. Для получения генера­ ции недостаточно иметь активную, усилива­ ющую среду. В среде с инверсной населен­ ностью всегда имеется спонтанное неупоря­ доченное излучение. Простым усилением спон­ танного излучения остронаправленный луч по­ лучить невозможно. Необходимо еще устрой-

Полупрозрачное

Луч света, распространяющийся под углом к оси резонатора, после нескольких прохождений выхо­ дит из активной среды, а лучи, перпендикулярные к зеркалам, проходят ее многократно

ство, которое создало бы особые условия для преимущественного усиления света со строго определенными характеристиками. Такими устройствами служат резонаторы, состоящие в простейшем случае из двух полупрозрачных зеркал, расположенных по краям активной среды. Зеркала заставляют фотоны, распро­ страняющиеся перпендикулярно к их поверх­ ности, многократно проходить через усиливаю­ щую среду. Резонатор играет роль своеобраз­ ной световой ловушки.

Простейшим резонатором могут служить две плоскопараллельные торцевые поверх­ ности рабочего стержня. Будучи границей

15

личить коэффициент отражения, на торцы на­ пыляют тонкий слой серебра или же наносят специальные диэлектрические отражающие по­ крытия.

В последнее время для научных исследова­ ний все чаще применяются выносные плоско­ параллельные и сферические зеркала. Резона­ тор не только способствует возникновению генерации, но и определяет направление гене­ рируемого излучения. О том, как это проис­ ходит, мы расскажем ниже.

Итак, нам уже известны все основные части генератора: активная среда, устройство для накачки и резонатор.

Среда стреляет светом. Процесс генерации.

Предположим, что нам удалось за счет внеш­ него воздействия перевести большинство ча­ стиц на верхний энергетический уровень и со­ здать таким образом активную среду, в кото­ рой процессы усиления будут преобладать над процессами поглощения. Такая среда, по­ добно заряженному пистолету, готова к вы­ стрелу, готова вернуть в виде излучения пере­ данную ей энергию. Спустить курок пистоле­ та поможет первоначальный квант, который всегда имеется в среде и может быть обуслов­ лен, в частности, либо спонтанным, либо теп­ ловым испусканием.

Однако не любой квант света способен вы­ звать генерацию и разрядить активную среду. Эту задачу может выполнить только квант, летящий вдоль оси генератора перпендикуляр-

16

но зеркалам резонатора. Все другие кванты, распространяющиеся под углом к оси резона­ тора, не способны вызвать генерацию (см. рис. на стр. 15).

Действительно, если фотон летит под углом

к оси резонатора, то, пролетев небольшой путь

вактивной среде, он вскоре выходит из нее. Встретив на своем пути возбужденные части­ цы, этот первоначальный фотон вызывает их вынужденное испускание. Вновь образовав­ шиеся фотоны распространяются в том же на­ правлении и также вскоре выходят из среды. На этом цепочка обрывается, генерация не наступает, происходит лишь усиление света.

Чтобы среда была источником света, чтобы она генерировала, в процесс испускания необ­ ходимо вовлечь все или почти все возбужден­ ные частицы. Для этого выходящий квант све­ та необходимо вернуть обратно, заставить его проходить активную среду много раз. Эту за­ дачу выполняет резонатор.

Кванты света, распространяющиеся перпен­ дикулярно зеркалам резонатора вдоль оси системы, обрастают на своем пути все новыми и новыми квантами, попадают на одно из зеркал резонатора и отражаются от него в об­ ратном направлении. Затем вся совокупность фотонов, вновь усиливаясь при прохождении между зеркалами, попадает на другое зерка­ ло, отражается от него и снова усилива­ ется и т. д. Этот процесс размножения и ла­ винного нарастания фотонов повторяется мно­ гократно, приводя к возникновению мощного направленного светового импульса — к гене­ рации излучения. Если зеркала полупрозрач-

17