§ 43. Лазеры

В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счет открытого Эйнштейном вынужденного излучения (см. предыдущий параграф). В 1953 г. советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо от них американскими учеными Таунсом и Вебером были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). В 1960 г. Мейманом (США) был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

В предыдущем параграфе мы выяснили, что воздействующий на вещество свет частоты , совпадающей с одной из частот атомов вещества будет вызывать два процесса: 1) вынужденный переход и 2) вынужденный переход . Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:

где N — полное число атомов, — число атомов, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией (для простоты мы предположили, что все энергетические уровни не являются вырожденными).

Из этой формулы следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить населенность энергетических уровней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией . В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инвер населенность. Согласно формуле (43.1)

В случае инверсной населенности при Распространив формально на этот случай распределение (43.1), мы получим для Т отрицательное значение. Поэтому состояния с инверсной населенностью называют иногда состояниями с отрицательной температурой.

Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. В случае усиления падающего пучка явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения в формуле (43.2) стал отрицательным. Соответственно совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8 % упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома.

При поглощении света ионы хрома (в таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа.

Рис. 43.1.

На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии примерно в 105 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное), излучая фотон с . Под действием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучеиии, переход ионов хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

Рис. 43.2.

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рис. 43.1), которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой. На рис. 43.2 дана схема уровней иона хрома (уровень 3 представляет собой полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней).

Возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой Время жизни уровня 3 очень мало .

В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой Однако большинство ионов перейдет на метастабильный уровень 2 (вероятность перехода, изображенного стрелкой значительно больше, чем перехода ). При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, возникает инверсия населенностей уровней 1 и 2.

Стрелка изображает спонтанный переход с метастабильного уровня на основной. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход ), 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. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность.

Процесс образования каскада изображен схематически на рис. 43.3. До начала импульса ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис. 43.3, а). Свет накачки (сплошные стрелки на рис. 43.3, б) переводит большинство ионов в возбужденное состояние (светлые кружки). Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны (пунктирные стрелки на рис. 43.3, в) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла). Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис. 43.3, г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов.

Рис. 43.3.

Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла (рис. 43.3, е).

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (с частотой порядка нескольких импульсов в минуту). Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его приходится интенсивно охлаждать, что осуществляется с помощью жидкого воздуха.

В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры. В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков твердых и газообразных веществ.

Излучение лазеров отличается рядом замечательных особенностей. Для него характерны: 1) строгая монохроматичность (); 2) высокая временная и пространственная когерентность; 3) большая интенсивность и 4) узость пучка. Угловая ширина генерируемого лазером светового пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь 3 км. Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Пучки света со столь высокой плотностью мощности можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т.д.

Высокая когерентность излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности для направленной радиосвязи в космосе. Если будет найден метод модуляции и демодуляции света, один лазер сможет заменить по объему передаваемой информации всю систему связи между восточным и западным побережьями США.

Высокая когерентность лазерного пучка позволила осуществить такое замечательное явление как голография.

Сказанное далеко не исчерпывает всех возможностей лазера. Он является совершенно новым типом источника света, и пока еще трудно представить себе все возможные области его применения.