optika-1

может принимать отрицательные значения, то из этой же формулы следует возможность усиления света. Легко понять, что если энергия светового потока на выходе из вещества превышает энергию на входе, то ее увеличение получено от атомов (молекул) вещества. Поэтому для понимания механизма усиления рассмотрим внутренние процессы, происходящие в атомах (молекулах). В работе 4 описывалась энергетическая уровневая система атома (молекулы). Для получения принципиальной возможности усиления света нет необходимости рассматривать все или множество энергетических уровней атома (молекулы); достаточно последовательно рассмотреть два частных случая: двухуровневую и трехуровневую энергетическую модель атома.

1.1. Двухуровневая энергетическая модель атома

атоме. При падении фотонов на такую среду они поглощаются атомами, если энергия кванта удовлетворяет соотношению:

где h - постоянная Планка; ν - частота фотона, поглощаемого веществом; E1 и E2 - энергия атома в 1 и во 2 энергетических состояниях соответственно. Поглощение фотона сопровождается переходом атома из невозбужденного состояния 1 в возбужденное 2 (электронный переход). Такой переход назы-

вается стимулированным, или индуцированным, или вынужденным (синонимы). Важно заметить, что самопроизвольного (спонтанного) перехода из состояния 1 в 2 быть не может: для такого перехода необходима дополнительная энергия. Если же изначально атом находится в состоянии 2, то он может спонтанно перейти в состояние 1, излучив при этом квант света в соответствии с формулой (2). Такой спонтанный переход постулировался Бором в 1913 г., однако в 1916 г. Эйнштейном предложен еще один тип перехода атома из состояния 2 в состояние 1: стимулированный (индуцированный, вынужденный) переход. Физически такой процесс следует понимать так. Фотон с энергией, равной энергии возможного перехода, пролетая мимо возбужденного атома, вынуждает его излучить фотон, подобный стимулирующему, то есть с той же частотой, поляризацией и движущийся в том же направлении. Эти два фотона неотличимы друг от друга: невозможно определить, какой из них стимулировал акт излучения, а какой вновь родился. Процесс стимулированного излучения носит вероятностный характер, причем вероятность акта стимулированного излучения пропорциональна коли-

72

актов поглощения (рис.2б), и имеется возможность усиления света. Вещество, в котором число возбужденных атомов превышает число невозбужденных атомов, называется инверсным (inverse - обращать, переворачивать). Таким образом, для усиления света необходимо создать среду с инверсной населенностью уровней. Реально в природе отсутствуют инверсные вещества, их можно получить лишь путем перевода атомов из состояния 1 в состояние 2 при возбуждении вещества. В то же время легко показать математически, что при возбуждении "двухуровневых" атомов инвертировать вещество невозможно. Это объясняется тем, что при возбуждении таких атомов возникает динамическое равновесие: число переходов 1 → 2 становится равным числу переходов 2 → 1. В результате происходит выравнивание населенностей уровней ( N1 = N2 ), а инверсия вещества не наблюдается. Ниже будет показано, что вещество можно инвертировать, если рассмотреть более сложную энергетическую модель атома - трехуровневую.

1.2. Трехуровневая энергетическая модель атома

Будем считать, что все атомы вещества могут находиться в любом из трех энергетических состояний, иные энергетические уровни вне нашего рассмотрения. На рис.3 показаны процессы, способные привести к усилению света веществом: прямыми стрелками показаны стимулированные процессы, волнистой - спонтанные переходы.

стоянии определяется внутренним строением атома (молекулы). При возбужде-

→ 3; способы возбуждения веществ будут рассмотрены ниже. Так как 3 - уровень метастабильный, то атомы накапливаются на нем, и населенность этого уровня ( N3 ) велика. Величина N2, наоборот, мала, так как атомы пребывают в этом состоянии малое время: за счет спонтанных переходов (волнистая линия) атомы оказываются в состоянии 1. Таким образом, населенность 3 уровня превышает населенность уровня 2. Тогда уровни 3-2 образуют инверсную систему. Важно отметить, что N3 всегда меньше N1: невозможно переселить все атомы 1 уровня на уровень 3 (см. двухуровневую модель атома). Однако принципиально важным является то, что N3 > N2.

Если на инвертированное вещество подать световой поток на частоте, соот-

74

то возможны два процесса: 2 → 3 (поглощение кванта светового потока) и 3 → 2 (стимулированное излучение фотона атомом). Легко видеть, что число актов излучения превышает число актов поглощения, так как N3 > N2. В результате происходит усиление света веществом.

Таким образом, для усиления света необходимо:

-подобрать вещество с определенной энергетической структурой атомов (молекул): не любая среда способна усиливать свет;

-инвертировать вещество;

-подать на вещество световой поток не на любой частоте, а на частоте, соответствующей данной инверсной системе.

Эти условия выполняются в оптических квантовых генераторах.

2. Генерация света веществом, принцип действия лазера

Прежде чем рассматривать процесс генерации света оптическим квантовым генератором, рассмотрим процессы в среде, состоящей из смеси двух газов - гелий и неон. Выбор данной среды обусловлен тем, что экспериментальная часть лабораторной работы основана на изучении свойств излучения He-Ne лазера и его применении для решения ряда метрологических задач. В разделе 1.2 рассмотрена трехуровневая модель атома, способная приводить к усилению света. Однако способы создания инверсной населенности ( N3 > N2, рис.3) в этом разделе не рассмотрены, ниже дается такой анализ применительно к гелий-неоновому лазеру.

2.1. Способ инвертирования вещества на примере He-Ne лазера

Энергетическая диаграмма смеси двух инертных газов гелия и неона приведена на рис.4. Из рис.4 видно, что разность энергий E2 - E1 для газа He совпадает c разностью энергий E3 - E1 для газа Ne; поэтому

возможна резонансная, безызлуча- Рис.4. тельная передача энергии от атомов

He к атомам Ne при их столкновении. Рабочим веществом He-Ne лазера является неон, роль He является вспомогательной. При пропускании электрического тока через смесь газов за счет столкновения со свободными электронами атомы He и Ne переходят из основного (исходного) с энергией Е1 в возбужденное с энергией Е2: для He - на уровень E3, для Ne - на уровни Е2 и Е3. При переходе атомов Ne с уровня Е3 на уровень Е2 излучаются кванты света, соответствующие красной области спектра. Как было показано ранее, населенность

75

N3 уровня Е3 должна быть выше населенности уровня Е2 атомов Ne. Это достигается повышением N3 с одновременным понижением N2.

Увеличение населенности уровня Е3 происходит за счет следующих процессов:

а) возбуждение атомов Ne при их столкновении со свободными электронами; б) возбуждение атомов He с последующей резонансной передачей энергии

атомам Ne при столкновении.

Отметим, что возможен и обратный процесс: резонансная передача энергии атомов Ne атомам He. Однако время жизни возбужденных состояний атомов He и Ne таковы, что обратный процесс происходит реже. Поэтому наличие в газовой среде атомов He в целом приводит к дополнительному увеличению населенности верхнего рабочего уровня Ne.

Уменьшение населенности энергетического уровня неона Е2 осуществляется специальным подбором конструкции стеклянной трубки, заполненной рабочей газовой смесью, через которую осуществляется электрический разряд. Кроме того, этой же цели служит подбор соотношения давлений газов He и Ne. Общее давление составляет величину порядка 1 мм рт.ст., а соотношение парциальных давлений He и Ne находится в пределах от 1:5 до 1:15 (с избытком гелия).

Гелий-неоновый лазер является непрерывным источником поляризованного света в красной области спектра. Выходная мощность излучения лазера составляет от 1 до 50 мВт, в зависимости конструкции лазера и величины его тока разряда.

2.2.Устройство и принцип действия лазера

Рассмотрим обобщенную схему ОКГ (рис.5) и принцип его действия. Будем считать, что усиление света в ОКГ происходит в соответствии с описанным в разделе 1.2 процессом (рис.3,4).

Лазер состоит из активного вещества 1; оптического резонатора, включающего в себя два зеркала 2,3; блока возбуждения активного вещества (источник питания) 4. В качестве активного вещества могут быть: газ, жидкость, твердое тело (кристалл, в том числе и полупроводник).

Рис.5.

Оптические зеркала ориентируются перпендикулярно к оси лазера. Одно из зеркал - 2 - имеет коэффициент отражения, близкий к 100%, другое - 3 - в пределах от 40% до 98% в зависимости от типа лазера: чем выше коэффициент усиления вещества, тем более низкий коэффициент отражения допустим. Зеркало 3 является вы-

76

ходным, через него генерируемый световой поток выходит из лазера. Назначение источника питания - возбудить активное вещество, сделать его инверсным.

2

Пусть возбужденный атом активного вещества, находящийся на уровне 3 (рис.4), спонтанно перейдет на уровень 2, излучив при этом фотон с частотой ν (3). Этот фотон, пролетая мимо такого же возбужденного атома, стимулирует излучение подобного фотона, в результате чего в веществе оказывается два фотона. Далее эти два фотона вызывают стимулированное излучение у следующих двух возбужденных атомов, а число фотонов становится равным четырем. Такой лавинообразный процесс увеличения числа излучаемых фотонов приводит к усилению света (поглощение активным веществом излучаемых фотонов мало - см. раздел 1.2.). Большое количество стимулирован излученных фотонов отражается от зеркала 3 (рис.5), и процесс усиления света веществом продолжается в направлении зеркала 2. После отражения света от него процесс повторяется к зеркалу 3 и т.д. Таким образом, световой поток многократно отражается от зеркал, проходит сквозь активное вещество, и каждый проход сопровождается усилением света. В результате в резонаторе накапливается световая энергия. При этом часть энергии излучается в пространство через полупрозрачное зеркало резонатора. Однако, сколько энергии теряет резонатор на излучение, столько энергии он приобретает от источника питания через стимулированное излучение возбужденных источником атомов активного вещества.

3. Типы лазеров и свойства лазерного излучения

Как отмечалось выше, первые лазеры были созданы в 1960 г., и в настоящее время существует несколько десятков ОКГ различного типа. Естественно, характеристики излучения этих лазеров различны.

3.1. Типы лазеров

Классификация всех типов лазеров может быть проведена по различным принципам:

-по типу рабочего активного вещества;

-по способам возбуждения рабочего активного вещества;

-по режиму работы лазера;

-по выходным характеристикам генерируемого ОКГ излучения.

В качестве активного вещества в ОКГ используются: газ, жидкость, твердое тело (кристалл). Этим определяется название лазера: газовый, жидкост-

ной, твердотельный лазер.

Способ инвертирования активного вещества связан с его типом. В газовых и полупроводниковых лазерах инвертирование активного вещества происходит при пропускания через него электрического тока. Например, в газе движущиеся заряды электрического тока, сталкиваясь с атомами активного вещества, передают им энергию. В твердотельных и некоторых жидкостных лазерах используют для возбуждения активного вещества энергию оптических источников: свет от внешних источников направляется на активное вещество, поглощается, а вещество становится инверсным. В некоторых жидкостных лазерах

77

для инвертирования вещества используются химические реакции. Тогда ОКГ

называют лазерами с электрической, оптической или химической "накачкой"

(возбуждением) вещества.

С точки зрения режима работы выделяют непрерывные и импульсные лазеры. Первые генерируют оптическое излучение в течение всего времени работы лазера. Импульсные же лазеры генерируют свет либо одиночными импульсами, либо повторяющимися вспышками.

По выходным характеристикам излучения лазеры отличаются друг от друга по частоте (длине волны), мощности генерируемого света, а также по некоторым другим параметрам, о которых будет изложено ниже. Важно заметить, что подавляющее большинство лазеров генерируют свет на одной или нескольких дискретных длинах волн. Лишь немногие ОКГ способны перестраивать длину волны выходного лазерного излучения. Последний тип называют перестраиваемыми лазерами.

ОКГ также отличаются друг от друга и по мощности выходного излучения: лазеры делятся на мощные и низкой мощности; в медицине обычно лазеры разделяют на высокоинтенсивные и низкоинтенсивные.

3.2. Свойства лазерного излучения

Выше уже отмечалось, что свойства лазерного излучения принципиально отличаются от свойств излучения нелазерных, тепловых источников света. В то же время из всех свойств излучения ОКГ следует прежде всего выделить те, которые характерны только для лазеров и связаны с самим механизмом генерации света.

1) монохроматичность

Излучение на одной частоте (длине волны) называется монохроматическим. Монохроматичность света лазера объясняется тем, что стимулированное излучение, а следовательно, и усиление света происходит лишь за счет одного конкретного электронного перехода ( 3 → 2, рис.3). Это отличает лазеры от тепловых источников, где излучение связано со множеством различных спонтанных переходов, поэтому их излучение не является монохроматическим. Монохроматичности лазерного излучения способствует резонатор, зеркала которого имеют максимум отражения на определенной длине волны. В то же время важно заметить, что практически идеальных источников монохроматических волн нет, излучение всегда имеет некоторый спектр (Δλ): чем он уже, тем выше степень монохроматичности излучения. В лазерах ширина спектра излучения Δλ много меньше длины волны λ, поэтому степень монохроматичности достигает больших величин ( λ / Δλ ) 105. Хотя степень монохроматичности излучения ОКГ велика, однако она не бесконечна. Это объясняется тем, что электронные уровни не являются идеально узкими, реально они представляют собой зоны с некоторой шириной. Поэтому соответствующие переходы дают излучение фотонов не на одной частоте, а в некотором интервале частот; следовательно,

78