56

4. Оптические квантовые генераторы (лазеры) Основные особенности излучения лазера

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ)называются источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излучения в активной среде с инверсной населённостью энергетических уровней. ОКГ, работающие в оптическом диапазоне, называютсялазерами. ОКГ, работающие в диапазоне ультракоротких волн, называютсямазерами.

Существует несколько типов лазеров: твёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Лазеры также классифицируются по методу накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Различают непрерывный и импульсный режимы генерации лазера.

Лазер как источник света качественно отличается от обычных, нелазерных источников. Для излучения лазера характерны: а) острая направленность; б) большая яркость (большая плотность потока энергии); в) временная и пространственная когерентность; г) строгая монохроматичность; д) очень малое угловое расхождение в пучке.

Лазер излучает узкий, малорасходящийся световой пучок. В случае теплового источника узкий пучок можно получить с помощью экрана с малым отверстием. Однако яркость лазера значительно больше, чем у обычного нелазерного источника света. Это верно даже тогда, когда мощность лазера значительно меньше мощности теплового источника. Яркость источника света определяется по формуле

, (4.1)

где Р– мощность излучения;S–площадь излучающей поверхности;– телесный угол, в пределах которого идет излучение;- угол между направлением излучения и перпендикуляром к излучающей поверхности.

У теплового источника излучение идет со всей поверхности и во всех направлениях (, среднее значение). Из лазера же выходит пучок света с малым поперечным сечением, который имеет узкий телесный угол распространения. Благодаря малымS идаже у маломощного лазера луч имеет большую яркость.

В лазере разные атомы излучают световые волны одной и той же длины, которые строго согласованы друг с другом по фазе. Такое упорядоченное излучение называют когерентным. В тепловом же источнике атомы излучают независимо друг от друга. Поэтому тепловое излучение хаотическое, некогерентное.

Спектральная ширина излучения лазера зависит от его конструкции. Если не принимать специальных мер,будет того же порядка, что и ширина спектральной линии атома. Однако существует возможность значительно уменьшить. В лазерах специальной конструкцииГц, что в раз уже, чем спектральная линия атома. Такой лазер дает практически идеальную монохроматическую волну. В обычных источниках такая монохроматичность невозможна.

Спонтанное вынужденное излучение

Качественное отличие лазера от других источников света заключается в том, что в обычных источниках используется спонтанное излучение, в лазерах – вынужденное. Рассмотрим особенности этих явлений на примере атома с одним валентным электроном.

Электрон в атоме может находиться на различных квантовых уровнях. Переход электрона с одного уровня на другой приводит к изменению внутренней энергии атома. Электронные переходы бывают двух видов:

1. безызлучательные(атомы сталкиваются друг с другом, и энергия, потерянная одним атомом, передается другому атому);

2. оптические переходы(атом либо поглощает, либо излучает фотон).

Рассмотрим два электронных энергетических уровня с энергиями и(). Оптические переходы электрона между этими уровнями сводятся к трем процессам, схематически изображённым на рис. 4.1: а) поглощение фотона, б) спонтанное излучение, в) вынуж-денное излучение. В соответствии с законом сохранения энергии, в любом из этих процессов энергия фотона должна равняться изменению энергии атома:

. (4.2)

а)	б)	в)
Рис. 4.1. Механизмы поглощения (а), спонтанного (б) и вынужденного (с) излучения

Атом излучает и поглощает только такой свет, частота которого удовлетворяет условию (4.2). Это правило впервые сформулировал Н. Бор в 1913 г. При поглощении света (рис. 4.1а) фотон исчезает, а электрон в атоме переходит с нижнего энергетического уровня на верхний. При переходе электрона с верхнего энергетического уровня на нижний, наоборот, рождается фотон.

Спонтанное излучениефотона (рис. 4.1б) – самопроизвольный процесс, протекающий независимо и без каких-либо внешних воздействий. При этом равновероятно испускание фотона в любом направлении и с любой фазой. Спонтанное испускание фотонов разными атомами происходит независимо. В результате образуется некогерентная световая волна, распространяющаяся изотропно во всех направлениях.

Вынужденное излучение(рис. 4.1в) возбуждается светом, частота которого удовлетворяет условию (4.2). Когда такой свет падает на атом, находящийся в возбуждённом состоянии с энергией(электрон находится на верхнем энергетическом уровне), то возникает вынужденный переход в основное состояние с энергиейи атом испускает фотон дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. При этом испускаемый фотон неотличим от фотона, падающего на атом: направление распространения, частота, фаза и поляризация в испущенной волне точно такие же, как в падающей. В результате вынужденного излучения усиливается световая волна, падающая на атом.

Таким образом, только вынужденное излучение способно создать остронаправленную, когерентную волну. Однако следует иметь в виду, что одновременно идут два противоположных процесса: вынужденное излучение и поглощение, поскольку, в соответствии с принципом детального равновесия, в термодинамически равновесной среде каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, причём скорости их протекания одинаковы. Усиление света средой будет происходить тогда, когда вынужденное излучение будет преобладать над поглощением.

Найдем условие, при котором вынужденное излучение преобладает над поглощением.

Рассмотрим среду, в которой атомов находится на нижнем энергетическом уровне иатомов – на верхнем энергетическом уровне. Обозначимвероятность того, что за единицу времени атом, находящийся на верхнем уровне, спонтанно испустит фотон,– вероятность вынужденного излучения,– вероятность поглощения. Вероятности вынужденных переходов (излучения и поглощения) пропорциональны спектральной плотности энергии электромагнитного поля, вынуждающего переход, приходящейся на частоту, соответствующую этому переходу (). Обозначив коэффициент пропорциональности буквойВ, можно записать:

и. (4.3)

Величины иназываются коэффициентами Эйнштейна. Согласно принципу детального равновесия, в термодинамически равновесной среде

. (4.4)

Следовательно,

. (4.5)

За единицу времени все атомы среды спонтанно испустят фотонов, а вынужденно –фотонов. Одновременно будет поглощенофотонов. Тогда условие равновесия будет иметь вид

. (4.6)

Теперь сравним число фотонов, испускаемых вы-нужденно, с числом поглощаемых фотонов. Из выражений (4.3) – (4.5) следует: для того что бы получить усиление падающей волны, необходимо выполнение условия

. (4.7)

Другими словами, на верхнем энергетическом уровне должно находиться больше атомов, чем на нижнем энергетическом уровне. Состояние совокупности атомов, для которого выполняется условие (4.7), называетсясостоянием с инверсной населенностью.

В веществе с инверсной населённостью энергетических уровней вынужденное излучение превысит поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Лазер генерирует свет за счет вынужденного излучения. Для этого необходимо иметь среду с инверсной населенностью уровней. Однако получить инверсную населенность совсем не просто.

Любая среда (термодинамическая система) стремится перейти в состояние теплового равновесия. При этом атомы распределены по энергетическим уровням по закону Больцмана:

. (4.8)

Поскольку абсолютная температура , то из выражения (4.8) следует, что. Таким образом, в состоянии теплового равновесия поглощение всегда сильнее, чем вынужденное излучение. По этой причине тепловые источники излучают за счет спонтанного излучения.

Инверсная населенность – неравновесное состояние. Для поддержания среды в неравновесном состоянии необходимо мощное внешнее воздействие. Это воздействие называют накачкой. Прекращение накачки приводит к быстрому исчезновению инверсной населенности. Чаще всего используется оптическая накачка (облучение среды светом) или электрическая накачка (пропускание через среду электрического тока). Однако даже самое мощное воздействие само по себе приводит лишь к выравниванию населенностей, но не к инверсной населенности. Обойти эту трудность удалось следующим образом: внешнее воздействие осуществляется на одной паре уровней, а инверсная населенность возникает на другой паре уровней. По этой причине в любой схеме накачки используется не меньше трех различных энергетических уровней.