Вопрос 53. Стимулированное излучение. Устройство лазеров. Свойства лазерного излучения.

Стимулированное излучение. А.Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося в эксперименте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на активные атомы (в кристаллах их называют активными центрами), находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию ħω₂₁ = ‌‌‌Е₂ – Е₁, то возникает cтимулированный переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии ħω = ‌‌‌Е₂ – Е₁ дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел КП. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены 2 фотона: первичный фотон, вызывающий (стимулирующий) испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Стимулированное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему (первичным фотонам): оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию, направление распространения. Следовательно, вынужденное излучение оказывается строго когерентным с вынуждающим излучением, т.е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая возбужденные атомы, стимулируют вынужденные переходы: происходит размножение фотонов. Для того, чтобы могло происходить усиление излучения, необходимо, чтобы интенсивность вынужденного излучения превышала интенсивность поглощения фотонов. А для этого необходимо превышение заселённости возбуждённого состояния (числа атомов в возбуждённом состоянии) над заселённостью основного состояния (числом атомов в основном состоянии).

Оказывается, можно практически получить системы, в к-рых на более высоком уровне расположено больше частиц, чем на нижнем. Такие системы получили название систем с инверсной заселённостью. Если обратиться к формуле Больцмана, связывающей населённости энергетических уровней с температурой тела: n₂/n₁= е^(—(Е₂ ^{– Е}₁^{) /kТ)}, то это соответствует состоянию, когда температура отрицательна (тогда показатель степени в формуле положителен). Состояния системы, при которых заселённость верхнего уровня выше, чем нижнего, называются состояниями с отрицательной температурой. При этом необходимо иметь в виду, что отрицат. температура не имеет физического смысла, подобного понятию обычной температуры, а является только удобной математич. характеристикой неравновесности системы. Процесс перевода системы в состояние с инверсией населенностей называется накачкой (осуществляется оптическими, электрическими и другими способами). Инверсная среда, в к-рой происходит усиление падающего на нее пучка света, называется активной. Для закона Бугера [мощность излучения, как известно, от пути пучка x зависит так: I(x) = I₀×exp (-κx)] в подобных средах должен быть характерен отрицательный коэффициент поглощения κ.

Материалы, в к-рых удалось образовать инверсную заселённость уровней, представлены ныне многими тысячами сред. К ним относятся рубин, стёкла, активированные неодимом или титаном, гранат, фторид лития—натрия с примесью эрбия, александрит, смесь гелия и неона (также с включением примеси кадмия), ксенон, криптон, аргон, водород, окись углерода, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород, многие полупровод­ники, растворы и пары красителей... Удалось получить инверсию в газовых средах с использованием обычных паров воды и даже воздуха.

• Лазеры. Эффект усиления излучения в активных средах используется в лазерах (аббревиатура от — Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation — LASER), устаревшее название - оптические квантовые генераторы. Лазеры подразделяются:

• по типу активной среды (твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные);

• по методам накачки (оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др.);

• по режиму генерации (непрерывного или импульсного действия).

• Устройство лазера (источника когерентного излучения) образовано тремя основными элементами:

1) активной (усиливающей свет) средой; 2) резонатором, который образует положительную обратную связь для излучения; 3) системой накачки, с помощью к-рой активной среду возбуждают для получения усиления.

• 

  В усиливающей среде всегда присутствует излучение в виде люминесценции. Оно распространяется вдоль оптической оси резонатора 2 (рис.4). Это излучение многократно усиливается активной средой за счет его циркуляции между зеркалами R₀ и R. Одно из зеркал (R₀) обычно полностью отражает излучение, другое (R) - частично пропускает свет. В то же время излучение, которое идёт под наклонными углами к оси резонатора (4), выходит из активной среды без заметного усиления. Поэтому лазер генерирует распространяющийся вдоль оси резонатора и крайне слабо расходящийся световой пучок, луч (5).

Схема лазера: 1 - активная среда, 2 - резонатор, образованный двумя параллельными плоскими зеркалами, 3 - система накачки

• Когда световые монохроматич. волны, излучённые атомами лазерного вещества, пройдут несколько раз вперёд и назад между зеркалами R₀ и R, они становятся почти плоскими. Зеркало R частично прозрачно и отражает не весь падающий на него свет. Прошедший сквозь это зеркало свет и есть практически используемый свет, излучаемый лазером. Резонатором определена дискретность в спектре свечения лазеров. Из световых волн усиливаются те, к-рые могут существовать в резонаторе (их длины волн д-ны укладываться вдоль оси резонатора целое число раз). Из этих волн в веществе активной среды усиливаются только волны с частотами, к-рые попадают в спектральную полосу усиления – группируются в окрестности резонансной частоты усиления ω₂₁, удовлетворяющей условию ħω₂₁ = ‌‌‌Е₂ – Е₁.

• У полупроводниковых лазеров (где активный элемент - кристаллик полупроводника или контакт из 2-х полупроводников разного типа) активные центры (такие, как, напр-р. в люминесцентных кристаллах – среди них рубин или гранат) отсутствуют ¾ лазерное излучение рождается здесь в результате соответствующих изменений состояния электронного коллектива – переходов между энергетич. зонами.

1. Свойства лазерного излучения. Лазерные лучи — это пучки ЭМ волн, обладающие уникальными свойствами. Ниже вкратце остановимся на трёх особен­ностях лазерного излучения.

• Для лазера характерна очень высокая направленность све­тового луча. Угол его расходимости примерно в 10⁴ раз меньше, чем луча хорошего прожектора. На поверхности Луны лазерный луч создает пятно диаметром около 10 км. Благодаря высокой на­правленности энергия лазерного луча может пере­даваться на очень большие, в том числе и косми­ческие, расстояния. Это создает основу для осуще­ствления связи, передачи по лазерному лучу как телефонных разговоров, так и телевизионных изо­бражений. При этом мощность передатчика (лазе­ра) может быть в дес. и сотни тыс. раз мень­ше мощности обычных радиостанций. Лазерный луч предполагается использовать и для передачи энергии.

• Второе уникальное свойст­во лазерного луча — его монохроматичность, т. е. необычайно узкий спектральный состав. Спектральная ширина его излучения во много раз меньше, чем у всех других источников света и радиоволн. Напр-р, ширина линии лю­минесценции рубина равна ~3×10¹¹ Гц. В спектро­скопии такая линия считается узкой. В то же время в лучших лазерах удается получить полосу излучения, ширина которой всего неск-ко Гц. Высокая монохроматичность не свойственна всем типам лазеров. В ряде случаев (полупроводниковые лазеры, лазеры на растворах красителей) полоса излучений весьма широка, что также может быть использовано на практике.

• Интенсивность и длительность свечения. Выбор типа лазеров для его практического использования зависит от поставленной задачи. Есть лазеры непрерывного действия. Однако боль­шинство лазерных систем излучает отдельные све­товые импульсы или целую серию импульсов. Дли­тельности импульсов также различны. В режиме свободной генерации длительность генерации близ­ка к длительности свечения ламп накачки.

  • В так называемых моноимпульсных генера­торах длительность свечения ~10^-8с. Широко применяются источники импульсов пикосекундной дли­тельности ( <10^-12с), достигнуты длительности импульсов, сравнимые с периодом колебания светового вектора (~ фс). Для сокращения дли­тельности импульсов внутри резонатора размещают различные управляющие устройства. Широко известны ге­лий-неоновые лазеры непрерывного действия. Они излучают чаще всего красный свет. Мощность лазе­ра 0,002…0,020 Ватт, что во много раз меньше мощ­ности лампочки карманного фонаря.

  • Газовые непрерывные лазеры на смеси СО₂—N₂—Не(Н₂О), работающие в невидимой ИК области спектра (l~10 мкм), имеют мощности в ~10⁶ раз больше (~10²…10³ Ватт). Чтобы оценить возможности этих лазеров, нужно вспомнить из школьного курса физики, что для плавления 1 см ³ металла необходимо ~50 Дж. Если мощность лазерного луча 500 Вт, то, в прин­ципе, он м-т расплавить за 1с около 10 см³ металла. Реальные цифры, достигаемые на опыте, сущест­венно меньше, так как значительная доля световой энергии, падающей на поверхность металла, отра­жается от неё.

  • Мощности, полученные в твердотельных лазерах на кристаллах (напр-р, на рубине или стекле, активированном неодимом) намного больше. С помощью устройств этого типа нетрудно получить энергию 50 Дж за интервал ~ 10^-4 с, что соответствует мощности ~ 500 тыс. Вт. В моноимпульсных и пикосекундных лазерах возможны мощности лазеров в тысячи и миллионы раз выше. Это намного превосходит спектральные яркости всех других источников све­та, в том числе и Солнца на его поверхности. Заметим здесь, что понятие мощности говорит о концентрации энергии во времени, о способности системы произвести значительное действие в за­данный (обычно короткий) интервал времени. Лазерный луч м-но сфо­кусировать в очень малом объёме ¾ напр-р, в сфе­ре диаметром ~0,1 мм. Огромные мощности некоторых типов лазеров еще раз свидетельствуют о высоком качестве лазерной энергии. М-но, напр-р, получить в считанные мгновения плотности энергии, превышающие плот­ности энергии ядерного взрыва, в пике светового импульса мощности в современных лазеров достигают неск-ких десятков тераВатт. С помощью лазеров такого типа удается получить температуры, равные десяткам миллионов градусов, давления ¾ ~ 10⁸ атмосфер. С помощью лазеров получены самые высокие магнитные поля и т.д.