5.3.3 Лазерные технологии

Большое значение для развития современной науки и техники имело создание оптических квантовых генераторов (лазеров), представляющих собой принципиально новые источники электромагнитного излучения. Фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера–лазера, было отмечено в 1964 г. Нобелевской премией по физике (Н. Басов, А. Прохоров, Ч. Таунс).

Для понимания принципа действия лазера необходимо познакомиться с понятиями спонтанного и вынужденного излучений.

Спонтанное и вынужденное излучение

Энергетический спектр атома представляет собой дискретный набор разрешенных значений энергии. Атом поглощает и излучает энергию при переходах с одного энергетического уровня на другой. Рассмотрим для простоты только два состояния атома: основное с энергией Е₁ и возбужденное с энергией Е₂ (Е₁<Е₂). Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения с энергией hν = Е₂ –Е₁ он может перейти в возбужденное состояние. Этот процесс характеризуется поглощением энергии. Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может через некоторое время спонтанно (т.е. самопроизвольно) перейти в основное состояние, излучив квант энергии с энергией hν = Е₂ – Е₁. Спонтанные переходы взаимно не связаны, поэтому спонтанное излучение некогерентно. В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения термодинамического равновесия между веществом и излучением постулировал, что кроме рассмотренных выше поглощения и спонтанного излучения, существует качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hν = Е₂–Е₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние с излучением фотона с энергией hν = Е₂ –Е₁. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным. В процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный, вызывающий излучение, и вторичный, испущенный атомом. Важно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь их точной копией.

Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичные фотоны). Вынужденное излучение имеет такую же фазу, частоту, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Вынужденное излучение является строго когерентным.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении, встречают другие возбужденные атомы, стимулируя индуцированное излучение; процесс развивается лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением реализуется и конкурирующий процесс – поглощение. Интенсивность процессов излучения и поглощения пропорциональна заселенности возбужденного и основного энергетических уровней соответственно. В состоянии термодинамического равновесия заселенность основного состояния больше заселенности возбужденного, поэтому поглощение преобладает над излучением. Падающее излучение при прохождении через вещество ослабляется.

Для усиления падающего излучения необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии превышало бы число атомов в основном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества с инверсией населенностей называется накачкой, среды с инверсией населенностей называются активными. При прохождении излучения через активные среды с инверсной населенностью происходит его усиление. Открытие явления усиления электромагнитных волн и изобретенный способ их усиления легли в основу квантовой электроники.

Принцип действия лазера

Слово “лазер” происходит от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. Лазер обычно состоит из трех основных элементов:

• источник энергии (система накачки);

• активная среда;

• оптический резонатор.

В первом твердотельном лазере Т. Меймана (1960 г., США) рабочим телом (активной средой) был цилиндр из розового рубина. Торцы стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой пропускал около 8% упавшей на него энергии. Рубин представляет собой оксид алюминия Al₂O₃, в котором некоторые атомы алюминия заменены атомами хрома. Источником энергии в рубиновом лазере служит импульсная ксеноновая лампа с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние, (такой процесс называется накачкой).

Обратный переход ионов хрома в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы хрома отдают часть энергии кристаллической решетке и переходят в т.н. метастабильное состояние. Среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (10^–3 с) примерно в 100000 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное, излучая фотон с длиной волны 694,3 нм. За счет большого различия во временах жизни в возбужденном и метастабильном состояниях возникает инверсная населенность ионов хрома: число ионов в метастабильном состоянии, обладающих большей энергией, становится больше числа ионов в основном состоянии.

Любой фотон, спонтанно перешедший из метастабильного состояния в основное, может вызвать вынужденное излучение дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т.д. В результате образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны.

Оптический резонатор – это система зеркал, формирующих фотонный пучок. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью рубинового стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Их путь в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Когда пучок фотонов становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме. В 1961 г. Джеваном был создан первый газовый лазер непрерывного действия, активной средой которого была смесь гелия и неона. В газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры (Р. Холл, США). Широкое распространение получили лазеры на красителях, рабочей жидкостью которых являются растворы анилиновых красителей в воде, спирте и других растворителях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной длины волны (от ультрафиолетовой до инфракрасной части спектра). Разрабатываются химические лазеры, в которых источником энергии являются химические реакции. В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков веществ. Тип используемого устройства накачки зависит от используемой активной среды. Создано большое количество лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режиме. КПД лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01% для гелий-неонового лазера до 75% для лазера на стекле с неодимом.