Глава 18. ОДНОМОДОВЫЙ ЛАЗЕР

18.1. Введение

Идея использования явления вынужденного излучения атома или молекулы для усиления электромагнитного поля и, кроме того, идея объединения такого усилителя с резонатором для получения генератора колебаний принадлежит Таунсу и его сотрудникам (Gordon, Zeiger and Townes, 1954, 1955), а также, независимо от них, — Басову и Прохорову (Basov and Prokhorov, 1954, 1955). Последние сконструировали первый МАЗЕР (сокращение от microwave amplifier by stimulated emission of radiation). В 1958 году Шавлов и Таунс предложили использовать тот же принцип в оптическом диапазоне (Schawlow and Townes, 1958), где в качестве оптического резонатора используется двухзеркальный интерферометр Фабри — Перо, а в качестве активной среды — возбужденная группа атомов. Первый лазер (сокращение от light amplifier by stimulated emission of radiation) был сконструирован Мейменом (Maiman, I960). Активной средой служил рубин, который возбуждался яркой вспышкой света от газоразрядной трубки, после чего лазер высвечивал короткий оптический импульс. Первый лазер непрерывного действия, был создан Джаваном с сотрудниками (Javan, Bennett and Herriott, 1961). В качестве активной среды в нем использовалась гелий-неоновая газовая смесь, которая непрерывно возбуждалась электрическим разрядом. Этот тип лазера до сих пор широко используется. С тех пор было разработано множество различных типов лазеров с длиной волны от инфракрасной до ультрафиолетовой областей. Некоторые из них генерируют свет сразу на нескольких различных частотах, а некоторые могут перестраиваться в широком диапазоне. Излучение лазера может быть в высокой степени когерентным и, независимо от длины волны, оно той же физической природы, что и излучение радиочастотного генератора. Действительно, квантовое состояние лазерного поля может быть близким к когерентному состоянию, которое обсуждалось в гл. 11. Более того, поскольку электромагнитная энергия сосредоточена, как правило, в одной моде или в малом количестве мод, число фотонов в одной моде может быть чрезвычайно большим (Mandel, 1961). В результате, поле излучения лазера может стать ближе к классическому, чем поле почти любого другого источника.

Почти у всех лазеров можно выделить четыре общих элемента:

(а) оптический резонатор, образуемый обычно двумя или более зеркалами;

(б) активная среда, в которой создается инверсная атомная населенность рабочих энергетических уровней;

(в) оптическая накачка или источник энергии для возбуждения активной среды;

(г) механизм потерь, посредством которого рассеивается энергия.

На рис. 18.1 показан типичный лазер, в котором резонатором служит интерферометр Фабри — Перо, а усилителем является газовая плазменная трубка, в которой поддерживается электрический разряд. Для уменьшения потерь при отражении, торцевые окна плазменной трубки, как правило, ориентируют под углом Брюстера для линейно-поляризованного света на частоте лазера. Торцевые зеркала обычно снабжаются многослойными просветляющими покрытиями, которые делают их сильно отражающими. Выходное зеркало, конечно, должно иметь коэффициент отражения меньше чем 100%, так что именно оно, обычно, является главным источником энергетических потерь, которые должны компенсироваться активной средой. Зеркала резонатора играют важную роль в возвращении фотонов, принадлежащих лазерным модам, обратно в лазерный резонатор. Большинство спонтанно излучаемых фотонов, распространяющихся в различных других направлениях, теряются. Однако фотоны, относящиеся к моде резонатора, повторно взаимодействуют с атомами активной среды, и их число растет за счет вынужденного излучения (см. рис. 18.2). Как только одна мода становится достаточно заселенной, вероятность вынужденного излучения в эту моду начинает превышать вероятность спонтанного излучения (см. разд. 15.4).

Рис. 18.1. Простейшая схема лазера

Рис. 18.2. Рост вероятности вынужденного излучения при увеличении мощности

В общем случае, когда скорость возвращения фотонов в моду оптического резонатора превышает скорость их ухода из резонатора за счет механизма потерь, амплитуда лазерного поля начинает возрастать до тех пор, пока не достигнет стационарного состояния. На этой стадии скорость излучения лазера равна суммарной скорости поставки энергии. Легко видеть, что это достигается за счет инверсии населенностей двух рабочих уровней, когда в верхнем состоянии находится больше атомов, чем в нижнем. Пусть населенности верхнего и нижнего состояний, тогда скорость поглощения лазерных фотонов атомной системой будет пропорциональна а скорость вынужденного излучения лазерных фотонов системой атомов будет пропорциональна с одинаковой константой пропорциональности (см. разд. 15.4). Если в достаточной степени превышает все потери на излучение могут быть скомпенсированы атомной системой.