§ 6.6. Лазер

Энергия атома квантуется, т.е. он может находиться на определенном уровне энергии. Рассмотрим два из них: Е₁ – основной, и Е₂ – возбужденный, Е₁ < Е₂. На рис. 6.3-А атом, находящийся в основном состоянии (он изображен черной точкой на уровне Е₁), поглощает падающий на него фотон (изображен волнистой стрелкой) с энергией hν= Е₂ – Е₁ и переходит на верхний уровень (изображено вертикальной стрелкой). Это резонансное поглощение фотона. Атом может перейти в возбужденное состояние, получив энергию другим способом, например, при столкновении. Среднее время жизни в этом состоянии составляет порядка 10^-8 с, и атом самопроизвольно переходит в основное состояние, испуская фотон. Такое излучение называется самопроизвольным или спонтанным, его схема приведена на рис. 6.2-Б. Однако бывает другой механизм излучения, он представлен на рис.6.3-В. Переход атома с уровня Е₂ на уровень Е₁ может происходить не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с налетающим на него фотоном, энергия которого равна разности энергий уровней: hν= Е₂ – Е₁. Налетающий фотон «стряхивает» атом с верхнего уровня на нижний, «вынуждая» его излучать энергию, так что к налетающему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Эти фотоны оказываются строго когерентными: у них не только одинаковые частоты, но и одинаковые фазы, направление распространения и поляризация. Такое излучение называется вынужденным (или индуцированным), и, в отличие от спонтанного (некогерентного), оно является когерентным. Вынужденное излучение усиливает, а не ослабляет первичное излучение.

В атомных системах при термодинамическом равновесии (Т=const) населенность уровней подчиняется статистике Больцмана: N~ехр(-E/kT). Здесь N-число атомов на уровне с энергией Е, k-постоянная Больцмана, T-температура. При обычных условиях населенность уровня по мере увеличения его энергии экспоненциально уменьшается, и N₂< N₁. При взаимодействии атомной системы с излучением одновременно происходят все три процесса: резонансное поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Вероятность взаимодействия с фотоном атома не зависит от энергии последнего, так что частота процессов поглощения и вынужденного излучения пропорциональна населенности уровней Е₁ и Е₂. В случае N₂< N₁ процессы поглощения происходят значительно чаще, чем процессы вынужденного излучения. В результате, при прохождении излучения через вещество ослабляется его интенсивность. К тому же возбужденный атом, не дождавшись своего «вынуждающего» фотона, излучает спонтанно. Выходящее излучение состоит в значительной степени из тех самых случайно испущенных цугов, фазы которых и направления распространения никак между собой не согласованы даже при совпадении частот (см. §3.1). Излучение естественных источников света в основном создают спонтанные переходы атомов, поэтому естественный свет некогерентный и неполяризованный.

Для создания когерентного источника излучения необходима неравновесная среда с инверсной (обратной) населенностью уровня, когда N₂>N₁ для Е₂< Е₁. Такая среда называется активной. В ней имеется метастабильный уровень энергии, где время жизни возбужденных атомов очень велико (порядка 10^-3 с, т.е. на пять порядков больше времени жизни на обычных возбужденных уровнях), и там накапливаются возбужденные атомы, создавая инверсную населенность. Введение в однородное вещество определенных примесей создает дополнительный метастабильный уровень энергии за счет взаимодействия атомов основного вещества с атомами примеси. Такой активной средой является кристалл рубина, где в кристаллической решетке основного вещества оксида Al₂O₃ некоторые ионы алюминия заменены ионами хрома. Примером активной газообразной среды является смесь гелия и неона. В настоящее время создано много разных активных сред твердых, жидких, газообразных.

Для поддержания инверсной населенности уровней необходим источник энергии для перевода атомов с нижнего уровня на верхний. Он называется накачкой. Накачка может быть различной: оптической (ксеноновая лампа-вспышка в рубиновом лазере), электрической (электрическая дуга в He-Ne лазере), химической и т.п.

Вынужденное излучение возбуждается проходящими через вещество фотонами. Для его усиления используется еще одна система – резонатор, задача которого вернуть вышедшее из активной среды излучение обратно. Резонатор представляет собой два параллельных зеркала, одно из которых непрозрачное, а второе полупрозрачное. Ось резонатора перпендикулярна зеркалам. Поток фотонов, движущийся вдоль оси, отражается от зеркала, вновь возвращается в активную среду, вызывая вынужденное излучение, обогащается новыми когерентными фотонами. При многократном прохождении вынужденного излучения сквозь активную среду резко увеличивается плотность потока фотонов, соответственно, мощность излучения, которое через полупрозрачное зеркало выходит наружу.

Такой источник когерентного излучения называется оптическим квантовым генератором (ОКГ) или лазером (аббревиатура, т.е. сокращение по первым буквам английского названия такого устройства – Ligth Amplifikation by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением). Лазер является квантовым искусственно созданным источником когерентного излучения. Он обязательно имеет три компоненты: активную среду, систему накачки и резонатор. Первая генерация в оптическом диапазоне была получена американскими физиками в 1960 г. в твердотельном рубиновом импульсном лазере и в газовом гелий-неоновом лазере непрерывного действия. За работы в области физики лазеров наши соотечественники академики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс удостоены Нобелевской премии в 1964 г.

Генерация вынужденного излучения получена в радио- , ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном диапазонах. Уникальные свойства лазера нашли широчайшее практическое применение в науке и в технике. Если излучение естественных источников света представляет собой хаотическое нагромождение цугов (кусочков гармонических волн) с длиной когерентности около 3м, то длина когерентности лазерного излучения настолько велика, что лазерный луч можно считать идеальной гармонической волной практически бесконечной протяженности.

Высокая степень когерентности лазерного излучения позволила создать голографию.

Строгая монохроматичность лазерного излучения совершила техническую революцию в телефонной, телевизионной и радиосвязи, увеличив точность передачи информации. Сочетание высокой направленности с малой расходимостью лазерного луча используется в эффективных средствах космической связи.

Большое применение находит высокая плотность энергии лазерного луча. Его используют в медицине как тончайший и точнейший скальпель. Лазеры импульсного режима используют для сварки, резания, «сверления», термообработки деталей из различных материалов. Лазерный термоядерный синтез является основой получения управляемой термоядерной реакции и применения ее

Понимание квантового механизма излучения рождает экзотические идеи применения «лазера наоборот». Он представляет собой систему, в которой нижний энергетический уровень населен, а верхний абсолютно пустой, потому что постоянно «опустошается» за счет безизлучательных переходов. Такая система является идеальным поглотителем квантов соответствующей энергии. Если окружить ею тело, излучающее соответствующий свет, или освещаемое им, то это тело будет невидимым.

Примеры практического применения лазеров весьма многочисленны и разнообразны. Мы коснулись только очень небольшого их числа.