3. 2.10. Вимушене випромінювання. Лазери

Згідно з квантовою теорією, атоми можуть мати строго певні значення енергії, переходити зі стану з одним рівнем енергії у стан з іншим енергетичним рівнем. Можливі два види переходів: спонтанні (самовільні) та індуковані (вимушені).

Переходи першого виду (спонтанні) відбуваються без впливу електромагнітного поля. Атоми при цьому переходять з більш високого енергетичного рівня на більш низький (рис 3. 22, а), випромінюючи фотон з енергією , де – стала Планка, – частота випромінювання, та – енергія атома на енергетичних рівнях відповідно та (). Таке випромінювання називають спонтанним (самовільним). У разі спонтанних переходів різні атоми випромінюють фотони неодночасно і незалежно один від одного. Внаслідок цього випромінювання не напрямлене, не поляризоване і не монохроматичне.

Переходи другого виду (вимушені) відбуваються під дією електромагнітного поля, частота якого дорівнює або близька до частоти переходу, що визначається умовою Бора для атома: .

Коли індуковані переходи відбуваються в бік вищого рівня енергії, атом поглинає фотон (рис. 3.22, б). Цей процес називається резонансним поглинанням. Він завжди супроводжується послабленням зовнішнього електромагнітного поля.

Рис. 3. 22

Коли такий перехід здійснюється в бік нижчого рівня енергії (рис 3. 22, в), атом випромінює фотон, внаслідок чого зовнішнє електромагнітне поле посилюється. Цей процес називають резонансним підсиленням електромагнітного поля, а додаткове (до спонтанного) випромінювання називають індукованим (вимушеним). Вимушеному випромінюванню притаманні такі важливі властивості: частота, фаза, поляризація і напрямок р уху фотона, який виник внаслідок інду-кованого переходу, однакові з аналогіч-ними характеристика-ми фотона, що викли-кав індукований вип-ромінювальний пере-хід. Таким чином, ви-м

Рис. 3.22

ушене і зовнішнє ви-промінювання є коге-рентним.

Ймовірнісний опис випромінювання світла здійснив у 1916р. А. Ейнштейн, внаслідок чого не тільки одержав основну формулу рівноважного (теплового) випромінювання (формулу Планка), а й виявив істотний момент у самому механізмі випромінювання світла – відкрив індуковане випромінювання. З теоретичними розрахунками А. Ейнштейна можна ознайомитись за літературними джерелами [1]–[3].

Принцип підсилення електромагнітних хвиль за допомогою індукованих переходів вперше запропонував у 1939р. радянський фізик-теоретик В. О. Фабрикант. У 1954 р. радянські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров одночасно з американським фізиком Ч. Х. Таунсом створили перші квантові генератори на пучку молекул аміаку з довжиною хвилі см. Квантові генератори, які випромінюють у радіодіапазоні, називають мазерами (слово мазер – абревіатура англійського виразу microwave amplification by stimulate emission of radiation, що означає підсилення мікрохвиль за допомогою індукованого випромінювання).

Перші квантові генератори, що працюють в оптичному діапазоні (лазери), з’явилися на початку 60-х років ХХ ст. Це були твердотілий лазер на рубіні з нм, гелій-неоновий лазер з =632,8 нм і напівпровідниковий інжекційний лазер на з =840 нм (1962 р.).

Для резонансного підсилення зовнішнього електромагнітного поля необхідно, щоб заселеність енергетичних рівнів атомів середовища з вищою енергією була більшою ніж заселеність рівнів з нижчою енергією. Стан такого середовища називають інверсією заселеності енергетичних рівнів електронами.

Побудова лазера стала можливою після того, як були винайдені способи здійснення інверсії заселеності енергетичних рівнів у деяких речовинах.

Розглянемо принцип роботи оптичного квантового генератора на прикладі рубінового лазера, побудованого вперше в 1960 р. американським фізиком Т. Г. Мейманом. У ньому робочим тілом був циліндр з рожевого рубіна. Діаметр стержня був приблизно 1 см, а довжина – біля 5 см. (Рубін, це кристал мінералу – сапфір, у кристалічній гратці якого частина йонів замінена на йони ). Торці стержня були ретельно відполіровані і представляли собою строго паралельні одне одному дзеркала. Один кінець покривали щільним непрозорим шаром срібла, другий торець покривали таким шаром срібла, щоб він пропускав приблизно 8 % падаючої на нього енергії.

Рис. 3.23

При поглинанні світла йони хрому переходять у збуджений стан. Зворотній перехід в основний стан відбувається в два етапи. На першому етапі збуджені йони віддають частину своєї енергії кристалічній гратці і переходять в метастабільний стан. Перехід із метастабільного стану в основний заборонений правилом відбору, яке не є абсолютно строгим – ймовірність дозволених переходів все ж не дорівнює нулю. Тому середній час перебування йона в метастабільному стані (~10с) приблизно в 10разів перевищує час існування (~10с) йона у звичайному збудженому стані. На другому етапі йони із метастабільного стану переходять в основний, випромінюючи фотони з довжиною хвилі λ=6943Å. Під дією фотонів такої самої довжини хвилі, тобто при вимушеному випромінюванні перехід йонів хрому із метестабільного стану в основний відбувається значно скоріше, ніж при спонтанному випромінюванні.

Рис. 3.24

В лазері рубін освітлюється імпульсною ксеноновою лампою (рис. 3.23) яка дає світло з широким діапазоном частот. При достатній потужності лампи більшість йонів хрому переходять у збуджений стан. Процес надання робочуму тілу лазера енергії для переводу атомів у збуджений стан називають накачкою. На (рис. 3.24) наведена схема рівнів йона хрому (рівень 3 представляє собою смугу, утворену сукупністю близько розташованих рівнів).

Збудження йонів за рахунок накачки зображено стрілкою . Час існування рівня 3 дуже малий (~10с). Протягом цього часу деякі йони перейдуть спонтанно із смуги 3 на основний рівень 1. Такі переходи показані стрілкою . Однак більшість йонів перейдуть на метастабільний рівень 2 (ймовірність переходу, зображеного стрілкою , значно більша, ніж переходу ). При достатній потужності накачки число йонів хрому на рівні 2 стає більшим числа йонів на рівні 1. Отже, відбувається інверсія рівнів 1 і 2.

Стрілка відображає спонтанний перехід з метастабільного рівня на основний. Випромінений при цьому фотон може викликати випромінювання додаткових фотонів (перехід ), які в свою чергу викличуть вимушене випромінювання і т. д. В результаті виникає каскад фотонів. Нагадуємо, що фотони вимушеного випромінювання летять в тому самому напрямку, що і падаючі фотони. Фотони, напрямки руху яких утворюють малі кути з віссю кристалічного стержня, багаторазово відштовхуються від торців стержня. Тому шлях їх в кристалі буде дуже великим, так що каскади фотонів в напрямку осі отримують особливий розвиток. Фотони, випромінені спонтанно в інших напрямках, виходять із кристала через його бокову поверхню.

Рис. 3.25

Процес утворення каскаду зображено схематично на рис. 3.25. До початку імпульсу йони хрому знаходяться в основному стані (чорні кружки на рис. 3.25, а). Світло накачки (суцільні стрілки на рис. 3.25, б) переводить більшість йонів в збуджений стан (світлі кільця). Каскад починає розвиватися, коли збуджені йони спонтанно випромінюють фотони (пунктирні стрілки на рис. 3.25, в) в напрямку, паралельному до осі кристала (фотони, випромінені у інших напрямках, виходять із кристала). Фотони розмножуються за рухунок вимушеного випромінювання. Цей процес розвивається (рис. 3.25, г і д), оскільки фотони проходять вподовж кристала багато разів, відбиваючись від його торців. Коли пучок стає достатньо інтенсивним, частина його виходить через напівпрозорий торець кристала (рис. 3.25, e).

Лазери на рубіні працюють в імпульсному режимі (з частотою кількох імпульсів за хвилину). В стержні виділяється велика кількість тепла. Тому його необхідно інтенсивно охолоджувати, що здійснюється за допомогою зрідженого повітря.

В 1960 р. американський фізик А. Джаван запропонував перший газовий лазер на суміші гелію і неону. Газові лазери працюють в суцільному (не імпульсному) режимі і не потребують інтенсивного охолодження. Однак, у зв’язку з малою щільністю газів потужність цих лазерів значно менша, ніж потужність твердотільних.

У 1963 р. побудовані досить ефективні лазери на напівпровідниках. Важливим досягненням в галузі лазерної техніки – це створення рідинних лазерів.

Поява лазерів значно вплинула на подальший розвиток різних галузей науки, техніки і технологій: виникли нові галузі фізики (нелінійна оптика і голографія), промисловості (лазерні системи зв’язку, лазерні технології, оптична локація, оптична обробка інформації тощо.). Лазери застосовують у хімії і біології, медицині і сільському господарстві, геодезії і будівництві, на транспорті й у військовій техніці. Досконаліше з областями застосування лазерів можна ознайомитись за підручником .

Зміст