1. Введение и общий обзор

Д. Л. Хьюстис

1.1. Газовые лазеры. Введение

1.1.1. Революция в развитии лазерных систем

Успехи, достигнутые в области лазеров за последние 25 лет, привели к тому, что из уникальных лабораторных устройств лазеры превратились в широко используемый на практике инструмент, с помощью которого теперь решаются многие научные и прикладные задачи. Благодаря лазерам высокими темпами стала развиваться молекулярная физика. И наоборот, возросшее число новых конкретных данных по спектроскопии и столкновительным свойствам возбужденных атомов и молекул привело к открытию и созданию новых типов лазеров.

Во многих отношениях лазер открывает новые возможности в развитии техники. Ни один из других источников ультрафиолетового, видимого или инфракрасного излучения не обладает одновременно столь большой плотностью энергии, высокой степенью направленности излучения и спектральной чистоты. Эти свойства играют важную роль во многих уже известных приложениях, однако лазер еще так молод, что пока сделано совсем немного в изучении связанных с ним новых процессов и явлений, для которых не существовало аналогов в истории техники. Некоторые весьма ценные применения лазеров уже реализованы, например, в технике связи, в различных научных исследованиях, в микрохирургии и микротехнологии, а также для лазерной сварки. В будушем лазеры будут использоваться для разделения изотопов, лазерного термоядерного синтеза и управления химическими реакциями. Кроме того, развитие лазеров эффективно стимулируется многочисленными применениями в военных целях, причем часть их уже реализована.

1.1.2. Простейшие представления о лазерах

В основе действия лазера лежит понятие о вынужденном испускании излучения, которое было сформулировано Эйнштейном [1] при описании статистических свойств излучения черного тела в условиях теплового равновесия. В качестве простого примера рассмотрим широко распространенный случай двухуровневого атома. Пусть II) — невырожденное основное состояние, а — возбужденное состояние нашего гипотетического атома. Рассмотрим три процесса: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение, в которых принимают участие как оба указанных состояния, так и фотоны с энергией равной по величине энергетическому промежутку между этими двумя состояниями.

Рис. 1. Упрощенная схема лазерных уровней: а — двухуровневый атом; б — трехуровневый атом.

Эти три процесса представлены на рис. 1, а и описываются соответственно уравнениями

В образце, в котором частицы находятся как в основном, так и в возбужденном состояниях, имеет место любой из указанных процессов (поглощение, спонтанное и вынужденное излучения). Наиболее общим является случай, когда населенности основного и возбужденного состояний находятся в тепловом равновесии, которое можно записать в виде соотношения Больцмана

где — населенности (в единице объема) соответственно основного и возбужденного состояний, к — постоянная Больцмана и

Т — температура. Поскольку сечения поглощения и вынужденного излучения одинаковы, отношение вероятности усиления фотона к вероятности его поглощения будет определяться относительными населенностями возбужденного и основного состояний. Это используется при расчете коэффициентов усиления (или поглощения) а (на единицу длины) по формуле

где — сечение вынужденного излучения (или поглощения). Таким образом, чтобы получить усиление нужно найти способ, который позволил бы перевести ббльшую часть атомов в возбужденное состояние Если ограничиться положительными температурами, то такая ситуация приводит к нарушению требований статистической механики, определяемых соотношением (4). Это нарушение можно устранить, если вспомнить, что соотношение (4) предполагает наличие в образце теплового равновесия, которое в действительности необязательно должно иметь Следовательно, необходимо найти такие схемы, которые позволили бы получить инверсию населенностей. Поиск этих схем и составляет содержание большинства разделов данной книги.

В случае двухуровневых систем наиболее часто инверсию населенностей создают, когда в лазерной среде первоначально отсутствуют частицы, участвующие в процессе генерации лазерного излучения. Частицы в возбужденном состоянии затем селективно образуются с помощью, например, химической реакции или фотодиссоциации. Если в процессе химической реакции нижний уровень не очищается быстро и селективно, то полученная при этом инверсия населенностей существует в течение лишь ограниченного времени. В типичном случае мы получаем «самоограниченный лазер», в котором вследствие вынужденного излучения инверсся населенностей и усиление уменьшаются. Гордон и др. [2] применили такой метод при разработке первого мазера, в котором частицы на верхнем и нижнем уровнях разделялись физически магнитным полем.

В большинстве лазеров частицы, участвующие в процессе генерации лазерного излучения, имеют три и более уровня. Такая ситуация представлена на рис. 1,б. В этом случае инверсию населенностей можно получить значительно более легким способом. Для этого нам нужно только найти такие столкновительные процессы, при которых сечение возбуждения больше, чем сечение процесса Далее, образованию инверсии населенностей могло бы способствовать условие, что скорости радиационных

столкновотельных переходов с уровня на уровень намного больше, чем скорости переходов с уровня . В последнем случае радиационные и столкновительные процессы не приводят к ограничению времени лазерного действия, и мы можем получить непрерывный лазер. С точки зрения термодинамики механизм лазерного возбуждения можно рассматривать как перенос энергии между двумя системами с различными температурами: лазерные частицы вначале имеют низкую температуру, а накачивающие частицы — высокую. Ясно, что при этом нас не интересуют равновесные свойства систем, но необходимо иметь сведения о скоростях процессов возбуждения, излучения и релаксации.

1.1.3. Общее содержание книги

В настоящей монографии рассматриваются результаты многолетних исследований по столкновительным процессам, которые играют важную роль в газовых лазерах. Ряд глав посвящен подробному описанию конкретных процессов и методов, с помощью которых можно исследовать эти процессы, причем основное внимание уделяется рассмотрению принципов действия лазеров. В остальных главах дается описание конкретных типов лазеров, а также основных кинетических и оптических процессов.

При этом всякий раз мы будем подчеркивать то, что значительные достижения в развитии газовых лазеров привели к успешному изучению основных столкновительных процессов, причем развитие самой физики атомных столкновений способствовало открытию многих типов газовых лазеров и доведению лазерных систем до их максимальных потенциальных возможностей.