3.4 Лазеры

Слово "лазер" составлено из первых букв английского выражения Light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: усиление света с помощью вынужденного излучения.

Лазер – источник (генератор) когерентного электромагнитного (оптического) излучения, формируемого путем вынужденного (стимулированного) излучения микрочастиц (атомов, молекул) вещества.

В лазере энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в малое пятно диаметром порядка длины световой волны и получить очень высокую плотность энергии, превышающую плотность энергии ядерного взрыва. Лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки.

Для генерации лазерных колебаний необходимо:

• использование квантовой структуры (системы) с избирательным «заселением» (возбуждением) одного или нескольких энергетических уровней, позволяющих обеспечить инверсию населенностей (избыточную концентрацию возбужденных микрочастиц);

• создание путем внешней электрической или оптической накачки активной среды, обладающей избыточной концентрацией возбужденных микрочастиц и способной существенно усиливать электромагнитное (оптическое) излучение;

• помещение активной среды в оптический резонатор, обеспечивающий эффективное возбуждение и систематическую генерацию лазерных колебаний путем многократного отражения оптического (лазерного) луча и, как следствие, положительной обратной связи, систематически подпитывающей (регенирующей) лазерные колебания.

3.4.1 Принципы работы лазеров

Атомы и молекулы веществ находятся в определенных квантовых состояниях, характеризующихся дискретными величинами энергии. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни.

Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком. При переходе атома на более высокий энергетический уровень происходит поглощение порции излучения — кванта света, или фотона. При переходе атома на более низкий уровень происходит испускание фотона. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома Е₂– E₁, между которыми совершается переход, то есть

 

hν=Е₂ – E₁

где – частота излучения; h – постоянная Планка.

Пусть атом находится на нижнем энергетическом уровне Е₁(рис. 3.8). При облучении этого атома квантом светаhпроисходит поглощение этого кванта и переход атома на верхний энергетический уровень Е₂.

 

 

Рисунок 3. 8 – Схема квантового перехода между двумя энергетическими уровнями

Если атом находится на верхнем энергетическом уровне Е₂, то при облучении атома квантом света hатом не может поглотить фотон. Зато он может под действием фотона перейти обратно на уровень Е₁. При этом появится еще один фотон, имеющий энергию Е₂– E₁. Это и есть процесс вынужденного испускания света. Существенно, что оба фотона (и появившийся, и первичный) имеют одинаковую энергию и одно и то же направление движения.

Первичный фотон может инициировать переход с уровня Е₂на уровень Е₁сразу во многих атомах. В результате появится не один вторичный фотон, а целая лавина таких фотонов. Все они будут иметь одинаковую энергию и двигаться в одном направлении – в направлении движения первичного фотона.

Оказавшись на уровне Е₂, атом может возвратиться на уровень Е₁самопроизвольно. Этот процесс называется спонтанным испусканием света. Возникающий при этом фотон имеет энергию, равную Е₂– E₁; а направление его движения произвольно.

Таким образом, имеются два типа процессов испускания света атомами и молекулами: вынужденное и спонтанное. Первый процесс – управляемый. Его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атома с уровня Е₂на уровень Е₁, но и определяет направление движения родившегося при этом переходе фотона. Второй процесс имеет ярко выраженный случайный характер: случаен момент перехода, случайно направление движения родившегося фотона. Если при вынужденном испускании возникает лавина фотонов, дружно летящих в одном направлении, то при спонтанном испускании фотоны разлетаются в разные стороны и движение их не согласовано друг с другом.

Известно, что вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на уровне Е₁, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся на уровне Е₂. Если атомов больше на уровне Е₁, то чаще будут происходить акты поглощения фотонов атомами – световой пучок будет ослабляться. Если же большинство атомов окажется на уровне Е₂, то чаще будут происходить акты вынужденного испускания фотонов. В этом случае вынужденное испускание света должно преобладать над поглощением света, и в результате световой пучок усилится. Следовательно,для усиления пучка светанадо создать необычную ситуацию, когда число атомов или молекул на более высоком уровне энергии больше, чем на нижнем. Как говорят,надо создать инверсную (обращенную) населенность энергетических уровней в веществе, то есть привести атомную систему в возбужденное состояние.

Инверсия населенностей равнозначна энергетическому обогащению вещества, происходящему за счет подвода к нему энергии извне.

Методом получения инверсии, применяемым в лазерах, является накачка,заключающаяся в облучении активной среды лазера светом (оптическая накачка) или в возбуждении активной среды электрическим током (электрическая накачка). При этом в ответ на каждый импульс накачки возникает импульс лазерного излучения. Возможна также непрерывная накачка. В этом случае лазерное излучение может возникать как в виде непрерывного светового луча, так и в виде регулярной последовательности световых импульсов.

Активная среда, в которой получают лазерный эффект, играет решающую роль. Вид применяемого для этой цели материала (его энергетическая структура, оптические, тепловые и другие свойства) оказывает принципиальное влияние на параметры лазера и определяет его конструкцию. В связи с этим лазеры прежде всего различают в соответствии с основными группами применяемых в качестве активной средыматериалов:твердотельные, то есть с твердым телом в качестве активной среды,газовые, жидкостные, полупроводниковые и волоконные.

Основными элементами лазера являются оптический резонатор Фабри—Перо, состоящий из полностью отражающего зеркала 1 и частично пропускающего (около 50%) выходного зеркала 2, активной среды 3 и устройства накачки 4 (рис. 3.9).

Рисунок 3.9 – Принципиальная схема лазера

При подаче излучения определенной частоты устройством накачки 4 в активной среде 3 возникает избыток возбужденных атомов. Спонтанные фотоны, возникающие внутри активной среды, взаимодействуют с возбужденными атомами и в конечном счете инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. За счет отражения от двух параллельных зеркал оптического резонатора увеличивается плотность вынужденного излучения и формируется его направление. Лазерный луч выходит в виде параллельного пучка света из резонатора через выходное зеркало2, частично пропускающее световое излучение.