1. Период перед открытием лазеров

В 1917 г. Альберт Эйнштейн опубликовал статью 11], посвященную спонтанному и вынужденному испусканию и поглощению электромагнитного излучения. Эйнштейн рассмотрел ансамбль атомов, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Между энергетическими уровнями ансамбля происходят квантовые переходы, соответствующие испусканию или поглощению электромагнитного излучения. Если описать поведение ансамбля формулой Планка, то при заданной температуре Т плотность энергии теплового излучения равна

где определяет число степеней свободы (число возможных типов колебаний или мод) в единице объема на единицу частоты, а

— средняя энергия на одну степень свободы. Предположим вслед за Эйнштейном, что каждый атом обладает двумя энергетическими уровнями пит (рис. 1.2), а число переходов вида (поглощение) точно равно числу обратных переходов (испускание). Если обозначить вероятность перехода в течение 1 с соответственно через или Ртпу а вероятность того, что атом окажется в состоянии или через то можно записать

Рп-Сех

— значения энергии атома в состояниях а уровни не вырождены.

Рис. 1.1. Альберт Эйнштейн. Заложил теоретические основы физики мазеров и лазеров в своей известной работе 1917 г., в которой рассматривается спонтанное и вынужденное испускание электромагнитного излучения.

Рис. 1.2. Двухуровневая квантовая система, иллюстрирующая явления поглощения, а также спонтанного и вынужденного испускания.

В отсутствие поля излучения переходы являются спонтанными, поэтому

где — константа, обычно называемая коэффициентом Эйнштейна и характеризующая процесс спонтанного испускания. Эйнштейн предположил также, что при соблюдении условия происходят вынужденные переходы вида (поглощение) и (вынужденное испускание под действием излучения с частотой причем

где — коэффициенты Эйнштейна.

В состоянии термодинамического равновесия из выражений (1.2) — (1.4) получаем

Если это соотношение остается справедливым при высоких температурах, то при оно упрощается и принимает вид

Но при откуда следует, что

С помощью простых преобразований с учетом соотношения (1.5) получаем

Эта зависимость справедлива для абсолютно черного тела, испускающего электромагнитное излучение в условиях термодинамического равновесия. Применимость выражения (1.5) в теории лазеров естественно ограничена. Микроволновый резонатор или оптический резонатор лазера способствует возбуждению лишь

некоторых типов колебаний. Частотный спектр колебаний в подобных системах, вообще говоря, ограничен и, кроме того, зависит от добротности резонатора. В оптическом диапазоне при получаем

Несмотря на такое соотношение между в оптическом диапазоне спонтанные переходы преобладают над вынужденными, так как при температуре около 300 К невелико.

Сравнив выражения (1.1) и (1.6), легко заметить, что отношение коэффициентов спонтанного и вынужденного испускания равно

откуда

При т. е. при температуре 41 500 К вероятности спонтанного и вынужденного испускания равны друг другу. Это условие соответствует существованию одного кванта энергии в каждой моде, поскольку среднее число квантов в моде равно

Явление усиления света в системе, содержащей возбужденные частицы газа, было исследовано в Советском Союзе еще в Фабрикантом [2]. Последующие его работы в указанной области появились в послевоенные годы. К сожалению, эти работы не оказали влияния на развитие квантовой электроники; на них не обратили достаточного внимания. В главе, посвященной голографии, мы познакомим читателя с работами выдающегося польского физика Мечислава Вольфке [3], который уже в занимался проблемой восстановления волновых фронтов (рентгеновского и оптического излучения). Следует упомянуть также важные исследования Габора [4] в по восстановлению фронта волны: после открытия лазеров эти исследования послужили основой для развития голографии.

В 1950 г. Перселл и Паунд [5] исследовали систему ядерных спинов с инверсной населенностью и впервые наблюдали явление вынужденного испускания в радиодиапазоне. Обсуждение возмож. ности усиления и генерации излучения с использованием вынуж денного испускания началось в Здесь заслуживают

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

упоминания работы Вебера 16], Гордона, Цайгера и Таунса [71 (рис. 1.3) и Басова и Прохорова [8]. Экспериментальные исследования одновременно развернулись в Колумбийском университете в Нью-Йорке и в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве. Первый мазер на аммиаке был запущен в 1954. г. в США Гордоном, Цайгером и Таунсом [9]. Несколько позже подобный мазер был создан группой Басова и Прохорова в Москве (рис. 1.4-1.5). В 1956 г. Блобмерген (рис. 1.7) из Гарвардского университета предложил конструкцию трехуровневого мазера на кристалле 1101, что существенным образом повлияло на развитие этих исследований и, в частности, привело к созданию первого мазера на рубине. В 1958 г. появилась известная работа Шавлова и Таунса [11] (рис. 1.8) «Инфракрасные и оптические мазеры», посвященная возможности построения системы, которая действовала бы подобно мазеру, но в диапазоне инфракрасного или видимого излучения. Авторы высказали предположение, что инверсию населенностей соответствующих энергетических уровней, а следовательно, и лазерный эффект можно получить в возбужденных парах калия, заполняющих оптический резонатор типа интерферометра Фабри — Перо. В том же году Бакингем из Оксфордского университета [121 теоретически предсказал оптически наведенную ориентацию анизотропно-поляризованных молекул. С тех пор это явление известно как оптический эффект Керра. В 1958-1959 гг. Пекара и Келих [13, 14] развили теорию магнитного и электрического насыщения в изотропных диэлектриках. Эта теория предсказывала не только вынужденное двулучепреломление под действием оптического излучения, но также изменения диэлектрической постоянной, магнитной проницаемости и показателя преломления в среде, подвергающейся воздействию интенсивного светового пучка. Возможность экспериментального подтверждения этих эффектов появилась лишь несколько лет спустя после создания достаточно мощных рубиновых и неодимовых лазеров.

Среди важнейших работ 1958-1960 гг., которые оказали существенное влияние на развитие лазеров, заслуживают упоминания фундаментальное исследование свойств рубина, выполненное Сугано и Танабе [15], а также работы по получению инверсии населенностей в возбужденных газовых системах (Прохоров [16], Джаван [17], Сандерс [18], Басов и Крохин [19], Аблеков, Песин и Фабелинский 1201 и др.). В тот же период в США и СССР было предложено использовать сильное рекомбинационное излучение в полупроводниках для создания инфракрасных лазеров. Примерно такой путь (разумеется, в самом кратком изложении) прошла радиоспектроскопия перед, важнейшим открытием, которое сделал Мейман в 1960 г.

(кликните для просмотра скана)

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)