2.3.3.Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Принципиально важно, что фотон, возникший в результате вынужденного излучения, в точности похож на фотон, возбудивший это излучение, то есть имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется в том же направлении. На «волновом» языке это означает, что первичное (вынуждающее) и вторичное (вынужденное) излучения когерентны. Это свойство вынужденного излучения было использовано для создания принципиально новых технических устройств – оптических квантовых генераторов (усилителей) электромагнитного излучения видимого (лазеры) и радиодиапазона (мазеры).

В результате акта вынужденного излучения появляются два абсолютно одинаковых (когерентных) фотона, которые, продолжая свое движение, выбивают ещё по два кванта – идет лавинообразное нарастание (усиление) потока электромагнитного излучения высокой степени когерентности.

Ослабление световой энергии (уменьшение интенсивности света) при его прохождении через прозрачное вещество описывается экспоненциальным законом Бугера-Ламберта (см. Д.-(13)):

, (57)

где l– длина пути, пройденная световым лучом в веществе, а– коэффициент поглощения.Усилениеинтенсивности светового потока в квантовых генераторах можно рассматривать как «отрицательное поглощение», описывая его тем же законом (57), но коэффициентв этом случае должен быть отрицательным (0).

Каким условиям должно удовлетворять вещество, чтобы в нём происходило не ослабление, а усиление электромагнитного излучения? На рис.43 приведена энергетическая диаграмма вещества, имеющего два уровня энергии – основнойmи возбуждённыйn. При взаимодействии света с веществом конкурируют два процесса – поглощение и излучение. При поглощении кванта электрон переходит с основного уровня на возбуждённый; интенсивность этого процесса (количество электроновN₁, перебрасываемых с уровняmна уровеньnза секунду) пропорциональна числу невозбуждённых атомовN_m на основном уровне:N₁=kN_m.Одновременно поток внешних фотонов инициирует вынужденное излучение, в результате которого с возбуждённого уровня на основной за секунду возвращаетсяN₂электронов. Интенсивность этого процесса пропорциональна «заселённости»N_nвозбуждённого уровня:

N₂=kN_n .

(Коэффициент пропорциональности kв этих процессах можно считать в первом приближении одним и тем же).

Если пренебречь спонтанным излучением (которое намного слабее вынужденного), то коэффициент в показателе экспоненты в соотношении (57) может быть записан в виде разности:

.

Усиление излучения будет происходить, если 0, то естьN_m  N_n. Такая «перевернутая» (инверсная) заселённость верхнего уровня по схеме, представленной на рис.43 (двухуровневой схеме), практически недостижима.

Для создания квантового генератора советскими учёными Басовым и Прохоровым в 1955 году была предложенатрёхуровневая схема, которая была реализована (США, 1960г.) при создании первого квантового генератора в видимом диапазоне (лазера).

В качестве активного вещества для первого лазера был использован рубин – оксид алюминия (Al₂O₃) с примесью 3-х валентных ионов хромаCr⁺³(которые и придают рубину красный цвет). На рис.44 представлена 3^х-уровневая схема рубинового лазера. Ионы хрома имеют энергетический уровень (k), лежащий между основным (m) и возбуждённым (n) уровнями оксида алюминия. Электрон, «приподнятый» квантом внешнего излучения на возбуждённый уровень, в результате тепловых соударений теряет некоторую энергию и переходитбезызлучательнона уровеньk.

Уровень k являетсяметастабильным, то есть время жизни электронов на этом уровне на несколько порядков больше, чем время жизни на уровнеn. Электроны «накапливаются» на уровне k, создавая избыточную (инверсную) заселённость этого уровня по отношению к основному уровню. Процесс создания инверсной заселённости в лазерном веществе называетсянакачкойлазера. Теперь достаточно единственного кванта (например, спонтанного) с частотой_km, чтобы вызвать лавину вынужденного излучения в.

Любой лазер имеет три основных конструктивных элемента:

1) активную среду. Активной средой может быть вещество в любом агрегатном состоянии – твердое, жидкое, газообразное;

2) систему накачки. Для создания инверсной заселенности используются различные способы – оптические, электрические и др.;

3) оптический резонатор.

После осуществления накачки появление любого кванта с частотой _kmприводит к вспышке лазерного излучения. Направление излучения совпадает с направлением движения «спускового» кванта, которое может быть каким угодно. Чтобы создать когерентный лазерный луч в определенном направлении, активная среда помещается в оптический резонатор, который в простейшем случае представляет собой два зеркала (плоских или сферических), установленные на одной оси (рис.45). Одно из них (например зеркало 1) делают непрозрачным, а другое (2) – полупрозрачным. Все кванты, движущиеся под углом к оси резонатора, уходят из активной среды, а кванты, направление которых параллельно оси резонатора, размножаются и создают направленный, многократно усиленный оптический луч, выходящий через полупрозрачное зеркало.

Назначение резонатора заключается не только в том, чтобы создать направленный луч, но и в том, чтобы обеспечить максимальное егоусиление. Интенсивность луча, прошедшего через активное вещество, согласно (57) зависит от длины путиlэтого луча в веществе. Заставляя лазерный луч многократно отражаться от зеркал резонатора, мы значительно увеличиваем длину хода лазерного луча и, следовательно, его интенсивность.

Лазерный луч обладает рядом ценнейших свойств:

1. Высокая степень когерентности. Длина когерентности лазерного луча составляет многие десятки (и сотни!) метров. (Напомним, что длина когерентности для обычных оптических источников не превышает 10^-2м.).

2. Строгая монохроматичность. Разница в длинах волн, составляющих спектр лазерного излучения, не превышает 10^-11м.

3. Может быть получена большая плотностьпотока энергии. Для импульсных лазеров благодаря малому времени «вспышки» плотность энергии в лазерном луче достигает десятков кВт/м².

4. Малая расходимостьлазерного луча. Направления движения отдельных квантов в лазерном луче настолько близки, что угловая расходимость лазерного луча ничтожно мала и составляет 10^-510^-6радиана.

Благодаря своим уникальным свойствам лазеры получили широкое применение в различных областях человеческой деятельности – от механической обработки материалов (резка, сварка, «сверление» отверстий и др.) до медицины (например, оптический «скальпель» для микрохирургии глаза). Как и другие величайшие изобретения человеческого разума, лазеры, к сожалению, используются и для войны, например, для наведения крылатых ракет на цель.