§ 103. Вимушене випромінювання. Лазери та їх застосування

Перехід квантової системи (атома, іона, молекули) з одного енергетичного стану в інший супроводжується, як ми знаємо, випромінюванням або поглинанням порції hv електромагнітної енергії.

Досі говорилося лише про такий механізм випроміню­вання, при якому атом переходить на нижчий енергетич­ний рівень без будь-якого зовнішнього впливу, самодовіль-но або, як кажуть, спонтанно (теплове випромінювання, люмінесценція тощо). Однак цей механізм випромінюван­ня не б єдино можливим. Як уперше було встановлено А. Ейнштейном у 1917 p., квантова система може випромі-нити квант енергії і перейти в стан з меншою енергією під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Цей ефект дістав назву вимушеного (стимульованого), або індукова­ного випромінювання. Ймовірність індукованого випромі­нювання різко зростає, коли збігається частота електро­магнітного поля з власною частотою випромінювання збудженого атома. Вимушене електромагнітне випроміню­вання має чудову властивість: воно тотожне первинному падаючому на речовину випромінюванню, тобто збігається

з ним за частотою, напрямом поширення і поляризації і когерентне у всьому об'ємі речовини.

У результаті взаємодії збудженого атома, готового випромінити фотон hv= Е'2—Е\, з фотоном ftv одержуються два зовсім однакові за енергією і напрямом руху фотони-близнята. Пролітаючий фотон ніби «струшує» із збудже­ного атома подібний до себе фотон, не затрачаючи на це енергії. З точки зору хвильової теорії атом випромінює електромагнітну хвилю, зовсім однакову за напрямом по­ширення, частотою, фазою і поляризацією з тією, яка змусила атом випромінювати. В результаті виникає ре­зультуюча хвиля з амплітудою, більшою, ніж у падаючої. Особливістю індукованого випромінювання є те, що воно монохроматичне і когерентне. Саме ця властивість інду­кованого випромінювання лежить в основі будови лазерів. Підкреслимо, що індуковане випромінювання відбувається у повній відповідності із законом збереження енергії. Змушуюча світлова хвиля відіграє роль «спускового при­строю» в механізмі випромінювання атомом нагромадже­ної раніше енергії. Як же виникає індуковане випроміню­вання?

Припустимо, що через речовину проходить електромаг­нітна хвиля. Розглянемо спочатку випадок, коли система атомів речовини перебуває в термодинамічній рівновазі. При цьому атоми знаходяться на нижніх енергетичних рівнях, тобто в основному стані і на ближніх до нього збуджених рівнях. Під впливом падаючої електромаг­нітної хвилі може виникнути або поглинання атомом кван­та енергії з переходом на вищий енергетичний рівень, або індуковане випускання з переходом на один з нижніх рівнів. Але оскільки при термодинамічній рівновазі за­селеність низьких рівнів більша, ніж високих, то під впливом падаючого випромінювання більша кількість атомів переходить за одиницю часу з нижніх рівнів на верхні, ніж навпаки. Цим пояснюється той факт, що в звичайних умовах речовини поглинають падаюче на них випромінювання.

Тепер розглянемо випадок, коли більшість атомів речо­вини перебуває у збуджених станах, тобто заселеність верхніх енергетичних рівнів значно перевищує заселеність нижніх рівнів (незрівноважений стан). У цьому випадку під впливом падаючого випромінювання більша кількість атомів переходить за одиницю часу з верхніх рівнів на нижні і виникає індуковане випромінювання.

Таким чином, маючи збуджену квантову систему з необхідними частотами переходів, можна дістати підси­лення слабкого електромагнітного випромінювання.

Існує кілька методів збудження квантових систем (так званих методів накачування): оптичне опромінення, під­вищення температури, бомбардування швидкими частин­ками, сортування молекул (розділення молекул, які пере­бувають в різних енергетичних станах, і видалення з молекулярного пучка незбуджених молекул) тощо.

Можливість створення квантової системи, здатної віддавати енергію електромагнітній хвилі (створення такого розподілу частинок системи за енергіями, при якому кількість збуджених атомів перевищує кількість атомів в основному стані), вперше була обгрунтована в 1939 р. В. О. Фабрикантом. У 1954 р. М. Г. Басов і О. М. Прохо-ров і незалежно від них Ч. Таунс, Дж. Гордон і Г. Дж. Зейгер створили перші діючі квантові прилади з використанням індукованого випромінювання.

Прилади, які використовують індуковане випроміню­вання, можуть працювати як у режимі підсилення, так і в режимі генерації. Згідно з цим вони називаються кванто­вими підсилювачами, або квантовими генераторами. їх називають також скорочено лазерами при підсиленні (або генеруванні) видимого світла і мазерами — при підси­ленні (або генеруванні) інфрачервоного світла і радіо­хвиль.

Робочим елементом сучасних квантових підсилювачів і генераторів можуть бути різні речовини найчастіше у твердому або газоподібному стані. Розглянемо один з видів квантового генератора на синтетичному рубіні (АізОз) з домішкою близько 0,05 % хрому (мал. 213). Цей основний елемент лазера звичайно мав форму циліндра діаметром 0,4—2 см і довжиною 3—20 см. Торці циліндра строго паралельні, і на них нанесено шар срібла. Одна із дзеркальних поверхонь частково прозора: 92 % світлового потоку відбивається від неї і близько 8 % світлового потоку пропускається.

Рубіновий стержень міститься всередині імпульсної ксенонової спіралевидної лампи, яка живиться імпуль­сами високої напруги від батареї конденсаторів ємністю до 10⁴ мкФ, зарядженої до напруги в кілька тисяч вольт. При розряді через лампу конденсатори батареї віддають енергію в сотні тисяч джоулів. Тривалість спалаху стано­вить 10 "^J с, а потужність лампи перевищує 10⁷ Вт. Лампа є джерелом збуджуючого випромінювання.

Спрощена схема енергетичних рівнів рубіна показана на малюнку 214. При опроміненні світлом з довжиною хвилі 560 нм (зелене), яке містить спектр ксенонової лам­пи, атоми хрому переходять з основного енергетичного рівня 1 на збуджений рівень 3. Час життя атомів хрому на збудженому рівні 3 малий. Для переходу 3 -*■ 1 він становить 10~^Jc, а для переходу 3 -*■ 2 він менший за 10" с. Тому більша частина атомів, збуджених на рівень З, здійснює переходи на другий збуджений рівень 2, випромінюючи світло частоти \'і> (мал. 214, а).

Час життя атома хрому на рівні 2 порівняно вели­кий — порядку 10 ~^J с Атоми хрому, які опинилися на рівні 2, певний час зберігають свою енергію, а потім пере­ходять на рівень І. Якщо потужність лампи (спалаху)

досить велика, то заселеність рівня 2 виявиться більшою від заселеності основного рівня 1. У цьому випадку кри­стал рубіна є активним середовищем. Якщо тепер на рубін спрямувати світло з частотою, яка відповідає енергії пере­ходу з рівня 2 на рівень 1, тобтото це світло.

стимулює атоми хрому на рівні 2 віддати надмір своєї енергіїі перейти на основний рівень 1. Перехід

супроводжується випромінюванням фотонів тієї самої

частоти(мал. 214, б); таким чином, початковий

сигнал багатократно посилюється.

Фотони, які рухаються не паралельно до поздовжньої осі кристала, покидають його через бічні прозорі стінки. Завдяки цьому вихідний пучок світла має високу спрямо­ваність. Потоки фотонів, зазнаючії багаторазових відби­вань від передньої і задньої дзеркальних граней рубінового циліндра, досягнувши достатньої потужності, вириваю­ться назовні через напівпрозору торцеву грань.

Описаний режим роботи лазера називають режимом вільної генерації. Вона починається після спалаху лампи накачування і триває близько 1 мс. У цьому режимі одер­жано рекордні енергії випромінювання, які досягають 1000 Дж в імпульсі при потужності близько 10 кВт.

У другому режимі дзеркала резонатора приводяться в дію за допомогою оптичного затвору лише тоді, коли за­селеність метастабільного рівня 2 досягав найбільшого значення. Для влаштування оптичних затворів використо­вується здатність деяких речовин збільшувати свою прозорість при великих світлових потоках. Кювету з такою речовиною поміщають перед дзеркалом резонатора. Коли інтенсивність променя досягне певного, досить великого значення, затвор сам відкривається і «випускає» лазер­ний промінь. При цьому висвічування з метастабільного рівня 2 відбувається за дуже короткий час — порядку ЇО"⁴*—10~'⁽⁾ с. За рахунок цього навіть при невеликій повній енергії лазерного імпульсу (кілька джоулів) потуж­ність імпульсу в максимумі досягає кількох мільярдів ват, що перевищує потужність великих електростанцій.

ККД рубінового лазера невеликий — порядку 1 %. Такий низький ККД пояснюється багатьма причинами. Основними з них є такі: не вся електрична енергія, нагро­маджена у конденсаторі, перетворюється в енергію випро­мінювання; лише частина світлового потоку лампи нака­чування поглинається рубіном. Однак програш у кількості

енергії компенсується виграшем у якості випромінюван­ня — монохроматичності, когерентності і спрямуванні.

Промінь лазера істотно відрізняється від звичайного променя світла, що визначає його широкі застосування. Слабка розбіжність лазерного променя (яка може стано­вити одну кутову секунду), обумовлена когерентністю, відкриває можливості його застосування в локації (роз­біжність променя лазера така мала, що на поверхні Місяця він дає світлу пляму діаметром близько 80 м). За допомо­гою лінзи лазерний промінь можна сфокусувати і дістати пляму діаметром 10~' мм, тобто сконцентрувати енергію променя на площі 10~⁸ мм² і дістати питомі потужності під час імпульсу порядку 10'³ Вт/м'-'. При такій питомій потужності будь-які тугоплавкі матеріали перетворюються в пару. Звідси виникають перспективи застосування лазе­рів для обробки тугоплавких і надміцних матеріалів. При питомій потужності 10⁹—Ю" Вт/м² лазерний промінь плавить і зварює метали. Потужний і дуже вузький ла­зерний промінь застосовується для прошивання отворів у надтвердих матеріалах, у тому числі й алмазах. Адже тиск, створюваний променем потужних лазерів, перевищує Ю" Н/м². Лазерному променю легко надати в перерізі будь-яку форму, а значить, і дістати будь-яку форму отвору. Цим методом виготовляють, наприклад, фільєри трикутної форми, які застосовуються при виготовленні волокна для об'ємної пряжі.

Великі переваги порівняно з радіохвилями дає викори­стання лазерного променя в системах зв'язку. По одному лазерному променю можна в принципі одночасно пере­давати до 10 телефонних розмов і 10^J телепрограм. Експе­риментальні лінії лазерного звязку вже працюють.

Висока когерентність лазерного випромінювання дав можливість здійснювати об'ємне фотографування (голо­графію), про яке йшлося раніше.

Широко застосовуються лазери в медицині. Напри­клад, досить поширеною причиною втрати зору є відшару­вання сітківки ока. За допомогою лазера за частки секунди і без болю сітківка «приварюється» до дна ока. За допомо­гою" лазерів знищують пухлини всередині кровоносних судин, які живлять око.

Винятково різноманітні застосування лазерів у науко­вих дослідженнях. Лазерний промінь допомагає біологам визначати склад окремих частин клітини. Для цього його фокусують за допомогою лінзи на вибрану ділянку клітини; речовина цієї ділянки випаровується і перетворюється

на хмаринку іонів. Мас-спектрометр вловлює іони і здійснює якісний і кількісний аналіз. Селективне (вибір­кове) збудження атомів і молекул лазерним випроміню­ванням дав можливість здійснювати розділення ізотопів. Селективно збуджені атоми чи молекули в складі суміші ізотопів стають хімічно активними і можуть вступати в хімічну реакцію, даючи тим самим можливість розділити ізотопи.

Концентрація великих енергій випромінювання в ма­лих об'ємах дає можливість одержувати високотемпера­турну плазму і викликати термоядерну реакцію під дією лазерних променів.

Ученим вдалося сконструювати так званий телевізій­ний лазерний мікроскоп, який дає можливість досягти збільшення в 3000 разів. Створено лазерний кінескоп — електронно-променеву трубку з лазерним екраном для проекційного телебачення. У цьому кінескопі замість екрана з люмінофором використовується тонка (в тисячні частки сантиметра) напівпровідникова пластинка площею близько 1 см². Електронний промінь, ковзаючи по цій пластинці, змушує її генерувати і випромінювати світло. Величина зображення в цьому випадку залежить від розмірів використаного напівпровідника. Якщо вони дорів­нюють розмірам кадру кіноплівки, то зображення можна спроектувати на екран площею 60 м². Колір зображення залежить від обраного напівпровідника.