120. Вынужденное излучение, его особенности. Условия усиления света.
Вынужденное, или индуцированное, излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.
Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.
Рис. 24.15
В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию (Е0 — основное состояние, Е1 , Е2, ..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, Ni — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «низких» температурах количество возбужденных молекул чрезвычайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система находится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее часто встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, главным образом, с невозбужденными молекулами и будет происходить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном состоянии, и вынужденное излучение, если частица возбуждена. Поэтому даже если число возбужденных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнитной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления волны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглощается.
121. Оптические квантовые генераторы (лазеры). Характеристики лазерного излучения.
Принципиальное устройство оптического квантового генератора (лазера). Он состоит из активного вещества 1 (кристаллического стержня или трубки с газом), системы накачки 2 (на рис. - это две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор. Как правило, коэффициент отражения одного из зеркал равен 100% (оно называется глухим), второго (выходного) - меньше 100%.
Пусть из точки a к стержню направляется только один квант света. К зеркалу придет уже 10 квантов. Отразившись от него, они вторично пройдут всю длину усиливающей среды. На зеркало 4 упадет уже 100 квантов: 99 из них отразятся обратно, 1 выйдет наружу. После завершения ещё одного цикла в световом потоке будет уже 9900 квантов, 99 из них выйдет наружу, а 9801 квант начнет следующий цикл, это снова увеличит число квантов в 100 раз и т.д. Таким образом, многократное повторение процесса усиления, возникающее при наличии зеркал, по своему эффекту эквивалентно существенному увеличению длины активного вещества. В каждом цикле при подходе к выходному зеркалу 41% световых квантов покинет резонатор. При этом поток энергии, выходящий за пределы резонатора, оказывается весьма значительным. Он и представляет собой лазерный луч, изображенный стрелками на рис. Этот луч существует до тех пор, пока накачка поддерживает инверсию в активной среде.
Основные свойства лазерного излучения
Во-первых, лазерный луч обладает высокой направленностью (малой расходимостью). Во-вторых, лазерное излучение в высокой степени монохроматично. В-третьих, свет, испускаемый квантовым генератором, обладает высокой степенью когерентности.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ
1. Твердотельные лазеры на люминесцирующих средах (лазеры на стеклах, рубиновые лазеры и т. п.); накачка оптическая. Мощные лазеры. Применение: лазерная технология (сварка, закалка, в установках лазерного термоядерного синтеза), лазерная спектроскопия и т. п.
2. Электроразрядные лазеры низкого давления на благорадных газах (He-Ne, He-Xe). Маломощные лазеры, излучение высокой монохроматичности и направленности. Применение: спектроскопия, настройка оптических систем.
3. N2-,CO2- и CO-лазеры высокого давления; накачка - электроионизационный разряд в газах. Практически достижимая мощность более 10 кВт. Применение: спектроскопия, лазерная химия, медицина, технология.
4. Ионный аргоновый лазер; накачка - газовый разряд. Мощность несколько десятков Вт. Применение: спектроскопия, нелинейная оптика, медицина.
5. Полуповодниковые лазеры; накачка инжекцией через гетеропереход или электронным пучком. Лазеры миниатюрны, имеют большой кпд. Применение: оптические линии связи, звуко- и видиосистемы. Перспективны для лазерного телевидения.
6. Лазеры на красителях (рабочая среда - жидкость); оптическая накачка. Основное достоинство - большой диапазон плавной перестройки частоты генерируемого излучения.
7. Химические лазеры. Основной источник энергии - химические реакции между компонентами рабочей среды. Мощные лазеры. ИК- область излучения. Применение: спектроскопия, лазерная химия.
8. Лазеры на свободных электронах.