15. Вынужденное излучение. Лазеры

При самопроизвольных или спонтанных переходах атомов с верхнего энергетического уровня на нижний, их излучение происходит независимо друг от друга, а фотоны, распространяются в различных направлениях, с различными фазами и является некогерентным (Рис.21a). При обратном процессе происходит поглощение фотона (Рис.21в)

Рис.21 Спонтанные и вынужденные переходы

В 1918 году Эйнштейн пришел к выводу, что для установления равновесия между излучением и веществом этих двух процессов недостаточно. Существует еще один тип излучения - вынужденное или индуцированное, которое происходит под действием фотонов падающего излучения, если их энергия удовлетворяет соотношению , где – энергия возбужденного состояния атома, − уровень энергии на который происходит переход атома. При этом испускается фотон с той же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения и поляризации, что и у падающего фотона. Вынужденное излучение всегда когерентно с падающим (Рис.21 б)

При прохождении света через среду между ее атомами и пучком света происходит обмен квантами путем. При определенных условиях возможно усиление падающего света. Впервые такой генератор, названный мазером и работающий в сантиметровом диапазоне был создан Басовым и Прохоровым и независимо от них английским физиком Таунсом, за что в 1964 году им была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году был создан квантовый генератор, работающий в оптическом диапазоне – лазер (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения). Падающее излучение с частотой вызывает вынужденное излучение и поглощение света. Усиление может произойти, если создать инверсную заселенность уровней, т.е. атомов, находящихся в возбужденном состоянии с энергией E_m должно быть больше, чем на более низком энергетическом уровне E_n^. Однако, такая заселенность противоречит распределению Больцмана , в соответствии с которым на более высоких энергетических уровнях должно находиться меньше атомов, чем на более низких. Для создания лазера необходимы три элемента: активная среда, система накачки и оптический резонатор.

Активной называется среда, способная усиливать проходящий через нее свет, то есть среда с инверсной населенностью. Система накачки - устройство для создания инверсной заселенности (вспомогательное оптическое излучение, электрический разряд, энергия химической реакции и др.). Оптический резонатор образуется

д вумя параллельными зеркалами З₁ и З₂ (Рис.22) и представляет собой многолучевой интерферометр

Рис. 22 Схема устройства лазера

Атомы активной среды могут спонтанно излучать фотоны в произвольном направлении. Часть этих фотонов распространяется параллельно оси резонатора. Эти фотоны по мере распространения могут вновь взаимодействовать с атомами активной среды. В процессе индуцированного излучения каждый фотон вызывает излучение еще одного фотона, поэтому число фотонов по мере распространения света все время удваивается, образуя лавину, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между излучением и поглощением.

Одно зеркало резонатора имеет коэффициент отражения близкий к единице, второе является частично прозрачным, что позволяет лазерному излучению выходить из резонатора. Другая часть излучения вновь отражается и проходит через активную среду, и это повторяется многократно. Приобретаемая световым потоком в активной среде за цикл энергия должна превышать потерю энергии в резонаторе.

В первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина длиной около 5 см и диаметром порядка 1 см. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектром излучения. Активная среда - рубин, представляет собой окись алюминия Al₂O₃ (корунд) с небольшой добавкой ионов хрома Cr³⁺, замещающих в решетке ко-рунда ионы алюминия. Ионы хрома находятся в сильном внутрикристаллическом электрическом поле, которое, приводит к существенному уширению их энергетических уровней и образованию зеленой ε₃ и голубой ε₄ полос поглощения (Рис.23).

Рис.23 Схема энергетических уровней в кристалле рубина

Кроме этого в энергетическом спектре имеется узкий энергетический уровень ε₂, шириной 0,4 нм, при переходе с которого в основное состояние ε₁ атомы излучают свет с длиной волны 694,3 нм. Время жизни атомов на этом уровне составляет порядка 10^-3с, что в 10⁵ больше, чем на уровнях ε₃ и ε₄.

Излучение лампы-вспышки поглощается ионами хрома, переходящими на энергетические уровни ε₃ и ε₄ в области полос поглощения. С этих уровней они очень быстро безизлучательно переходят на уровни ε₂, передавая излишек энергии кристаллической решетке. Поскольку время жизни уровня ε₂ достаточно велико, на нем накапливаются возбужденные атомы, создавая значительную инверсную населенность относительно уровня ε₁. Излучение лазера характеризуется высокой монохроматичностью Δλ~0,01 нм, высокой временной и пространственной когерентностью, узостью пучка и большой мощностью.

В настоящее время лазеры нашли чрезвычайно широкое применение. В технике они используются для резки металлов, прорезания отверстий, сварки, термообработки, в лазерной локации, голографии, при хранении и обработке информации. В медицине они применяются в хирургии (бескровный скальпель), офтальмологии, онкологии, стоматологии. Лазеры используют для нагрева плазмы для решения проблем управляемого термоядерного синтеза.