Беседы о физике и технике

Глухов Николай Данилович

С верхнего третьего уровня возможны переходы 3 —> 1 и 3 —> 2. Оказалось, что переход 3 —> 1 приводит к испусканию энергии Е₃ — Е₁ = hv₃₁, а переход 3 —> 2 не является излучательным: он ведет к заселению «сверху» промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень носит название метастабального,

и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Именно на этом уровне происходит накопление возбужденных атомов. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 (через верхнее состояние 3), а обратно на основной уровень возвращаются с «большим запаздыванием», то уровень 1 «обедняется».

В результате и возникает инверсия, т. е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Если N₁ — число атомов в состоянии 1, a N₂ — число атомов в состоянии 2, то при инверсии N₂ > N₁ и генерируются фотоны с энергией hv₂₁ = E₂ — Е₁. Следовательно, инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки, и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде. Это индуцированное излучение явилось физической основой создания лазера — источника, в котором рождаются «кванты-близнецы», т. е. когерентные, строго направленные узким пучком электромагнитные волны.

На рис. 44 приводится схема, поясняющая поглощение и испускание спонтанного и индуцированного излучения.

Рис. 44. Схема, поясняющая явление поглощения (а), спонтанного (б) и индуцированного (в) излучений

Частица (атом или ион), находящаяся в основном энергетическом состоянии (находится на уровне 1) и изображенная черным кружочком на рис. 44, а, поглощает фотон (волнистая стрелка) и возбуждается, т. е. переходит на более высокий энергетический уровень Е₂ (белый кружок). Возбужденная частица (белый кружок на рис. 44, б) может спонтанно выделить энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние.

Но возбужденную частицу (белый кружок на рис. 44, в) можно заставить испустить фотон под действием внешнего фотона (волнистая стрелка слева). Тогда кроме этого стимулирующего фотона появится второй фотон с той же частотой (волнистые стрелки справа), а частица снова возвратится в основное состояние. Так в результате индуцированного испускания рождаются кванты-близнецы, т. е. при большом числе возбужденных атомов происходит лавинообразный процесс значительного усиления слабого, подлежащего усилению сигнала.

ИТАК, ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОЛУЧЕНО. ОСТАЕТСЯ СФОРМИРОВАТЬ ЕГО В ПУЧОК.

Действительно, индуцированное размножение фотонов в инверсной среде является лишь необходимым, но не достаточным условием создания и действия лазера — генератора когерентной электромагнитной волны.

Для формирования высокой временной и пространственной когерентности излучения среду, в которой оно возникает, получившую название активной среды, необходимо поместить в оптический резонатор — систему двух сферических или плоских зеркал. Резонатор обладает

свойствами не только накапливать внутри себя фотоны, испускаемые активной средой, т. е. создавать дополнительное усиление излучения, но и осуществлять «выбор» волн определенных частот из диапазона hv₂₁ = E/h, обладающих высокой монохроматичностью.

Дело в том, что каждый энергетический уровень представляет собой не узкую линию (рис. 44), а полосу шириной Аlb (в случае трехуровневой схемы E₃, E₂).

ДАВАЙТЕ РАССМОТРИМ ДЕЙСТВИЕ РЕЗОНАТОРА ПОДРОБНЕЕ

В резонаторе (рис. 45) элемент активной среды выбран в виде параллелепипеда, а в качестве резонатора выступают два плоских зеркала. В соответствии с одним из физических законов, установленных Бугером, усиление волны в инверсной системе нарастает экспоненциально с увеличением длины активной среды. Однако в реальных физических условиях существуют потери энергии, которые с ростом длины среды возрастают. Следовательно, длину активной зоны необходимо подобрать такой; чтобы потери энергии были минимальны при максимально возможном усилении излучения.

Рис. 45. Схема оптического резонатора

Пусть в точке А активной среды спонтанно испускается фотон энергии hv₂₁ с направлением распространения вдоль оси системы (перпендикулярно зеркалам) и пусть он станет тем «первым камнем», вызывающим лавину фотонов-близнецов. Именно в лазерах этот спонтанно излученный фотон и представляет собой излучение, которое необходимо усилить. В результате движения этого фотона в среде появления индуцированных фотонов амплитуда и энергия волны увеличиваются в направлении ее распространения. После отражения от правого зеркала волна идет обратно, продолжая усиливаться. Пройдя расстояние L, она достигает левого зеркала, отражается и снова устремляется к правому зеркалу.

Такие условия, разумеется, создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии, но при определенных условиях практически вся энергия возбуждения атомов переходит в излучение, направленное вдоль оси резонатора.

Если затем каким-либо способом (об этом несколько позже) дать возможность излучению выйти из резонатора, то можно получить остронаправленный, почти параллельный пучок, линейный угол расходимости которого определяется лишь дифракционными явлениями на зеркале и равен /D (D — диаметр пучка).

Это отношение может быть порядка 10^{– 4}—10^{– 5} рад, в то время как обычные источники света излучают во все стороны, т. е. в 4; рад. Применение плоских зеркал в резонаторе приводит к тому, что выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, т. е. имеет высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.

Теперь мы можем окончательно заключить, что физической основой лазеров являются: эффект индуцированного (вынужденного) излучения; создание термодинамического неравновесия в активных средах, сопровождающееся инверсией и дающее возможность усиливать световые волны; применение оптического резонатора, накапливающего кванты излучения и формирующего упорядоченную структуру электромагнитного поля, создающего его высокую когерентность.

КАКОВА ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА?

Функциональная схема любого оптического квантового генератора (ОКГ) изображена на рис. 46. Здесь 1 — активная среда, 2 — система накачки, 3 — оптический резонатор, 4 — возможные дополнительные элементы. Резонатор выделяет в пространстве оптическую ось ОО₁ генератора, вдоль которой испускается лазерное излучение.