Лазеры

«Лазер – это устройство, в котором энергия,

например тепловая, химическая, электрическая,

преобразуется в энергию электромагнитного

поля – лазерный луч…. Лазерный луч

является самым ёмким носителем информации

и в этой роли – принципиально новым

средством её передачи и обработки»

Николай Басов

Что такое лазерный луч? Как работает лазер? Ответы на эти вопросы будут даны в этой теме.

Квантовая механика зародилась после того, как Нильс Бор постулировал свои соображения относительно модели атома водорода. Первый постулат говорит о том, что существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает энергию, при этом, электроны в атоме движутся с ускорением. Второй постулат Бора гласит, что излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Низший энергетический уровень – это основное состояние атома, а все остальные состояния называются возбужденными. В возбужденном состоянии электрон может находиться очень недолго (~10^–8 с). После этого, он переходит в основное состояние, и этот переход сопровождается испусканием фотона. Если же электрон переходит из низшего энергетического уровня на высший, то он, наоборот, поглощает свет. При этом спонтанные излучения, испускаемые отдельными атомами, обладают ничтожно малой энергией. Для концентрации энергии излучения многих атомов требуется вынужденное излучение.

Ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал возможность такого излучения и строго доказал, что при попадании фотона достаточно высокой энергии в атом, этот атом излучает два абсолютно идентичных фотона. Такое излучение назвали индуцированным. То есть, индуцированное излучение – это излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Возникающая при этом излучении испущенная световая волна обладает той же частотой, фазой и поляризацией, что и падающая на атом волна. Это говорит нам о том, что падающая и излученная волны когерентны.

Что же происходит при индуцированном излучении?

Если в атом попадает фотон, такой энергии, какая может быть излучена самим атомом при переходе из возбужденного состояния в основное, то этот фотон атомом не поглощается. Более того, атомом испускается еще один фотон, который абсолютно идентичен первому. То есть эти два фотона являются полностью когерентными. Именно эта идея и положена в основу создания лазера. Конечно, в первую очередь, следует заметить, что для работы лазера нужно очень много атомов, находящихся в возбужденном состоянии, которые в нужный момент могут перейти в основное состояние и излучить множество когерентных фотонов. Как же это осуществить технически?

Представим, что имеется активная среда с большим количеством атомов. Эта среда располагается между глухим и полупрозрачным зеркалами. Глухое зеркало практически не пропускает свет, а полупрозрачное зеркало пропускает около 2 % света.

В активную среду поступает энергия извне. Это может быть любая энергия: тепловая, световая, химическая или электрическая.

Эта энергия приводит значительную часть атомов в возбужденное состояние. При переходе обратно в основное состояние, атомы излучают фотоны, которые, в свою очередь, возбуждают соседние атомы. И в этом случае уже возникает явление индуцированного излучения: каждый атом, на который упал фотон, испускает два идентичных фотона. Так продолжается снова и снова, в результате чего все больше и больше атомов переходят в возбужденное состояние. Между зеркалами возникает среда, насыщенная фотонами, которые отражаются то от одного, то от другого зеркала. При этом, каждый фотон, сталкиваясь с атомом, стимулирует испускание еще одного фотона.

Когда же атомы переходят в основное состояние, из лазера выходит множество когерентных фотонов, образуя лазерный луч. В этом луче фотоны находятся на очень близком расстоянии друг к другу, и направления их движения совпадают, поэтому лазерный луч практически не рассеивается.

Лазеры обладают следующими свойствами:

1)    Лазеры создают пучки света с очень маленьким углом расхождения (то есть луч практически не рассеивается).

2)    Фаза волны лазерного излучения не испытывает нерегулярных изменений (то есть, атомы излучают свет согласованно).

3)    Лазеры обладают огромной мощностью. У некоторых типов лазеров мощность излучения в миллионы и даже миллиарды раз превышает мощность излучения Солнца. Правда, такая высокая мощность достигается лишь в течение очень и очень малого промежутка времени (~10^–13 с).

Такие свойства открывают большие возможности. Надо сказать, что ещё в 1940 году Валентин Фабрикант доказал, что индуцированное излучение может быть использовано для усиления электромагнитных волн. Тем не менее, лишь в 1954 году, Николай Басов и Александр Прохоров создали микроволновой генератор радиоволн. Такой же генератор, независимо от них получил Чарльз Таунс. Это был принципиально новый способ усиления электромагнитных волн.

Тем не менее, двух уровней энергии было недостаточно, поскольку каким бы мощным ни был внешний источник энергии, число возбужденных атомов не превышало число невозбужденных. Но, уже в 1960 году была создана так называемая трёхуровневая система. Эта система и по сей день является основой для создания лазеров. Дело в том, что время, в течение которого атом может находиться на том или ином энергетическом уровне, неодинаково. На сегодняшний день, трехуровневая система с успехом используется в рубиновых лазерах (потому что в рубине имеются необходимые энергетические уровни). В рубине содержится небольшая примесь атомов хрома, которые и подвергаются процессу индуцированного излучения.

На рисунке изображены три состояния: основное состояние с энергией  и два возбужденных состояния с энергиями  и . Но, на третьем энергетическом уровне атом может находиться порядка 10^–8 c, в то время как на втором энергетическом уровне он может находиться порядка 10^–3 c. Это, конечно, является существенной разницей, поэтому, на уровне два оказывается избыток возбужденных атомов. Итак, атомы переходят в возбужденное состояние, соответствующее энергии , но почти сразу из этого состояния они переходят на уровень , где находятся значительно дольше. Таким образом, почти все атомы хрома находятся в возбужденном состоянии. После того, как они все переходят в обычное состояние, получается мощный лазерный луч.

В рубиновом лазере используется газоразрядная лампа. Она имеет спиралевидную форму и как бы окутывает кристалл рубина. Кратковременный импульс тока, который подается от батареи конденсаторов с большой емкостью, вызывает яркую вспышку лампы. Далее происходит процесс, который мы описывался ранее. Атомы переходят на уровень три, но находятся там очень недолго, и переходят на уровень два, где находятся значительно дольше. После этого, в результате самопроизвольных переходов с уровня два на уровень один, получается мощный лазерный луч.

Существуют множество других типов лазеров (их пробовали создавать буквально из чего угодно). Наиболее приемлемыми оказались газовые лазеры на основе гелия и неона. Эти лазеры испускают волны длиной 632,8 нм. Соответственно, частота такого излучения составляет порядка 4,75×10¹⁴ Гц.

Также применяются инфракрасные лазеры на основе углекислого газа. Еще один тип лазеров – это полупроводниковые лазеры, преимущество которых состоит в том, что они могут регулировать частоту излучения и, соответственно, длину волны. Кроме того, как выяснилось, полупроводниковые лазеры наиболее дешевые.

Лазеры получили довольно широкое применение в науке и технике. В первую очередь, лазеры используются в экспериментах по оптике. Лазеры используются для хранения информации (наверное, все слышали такое словосочетание как «лазерный диск»). Огромная мощность лазерного излучения часто используется для сварки и резки металлов или стимуляции испарения различных материалов. Кроме этого, лазеры используются в медицине: ярким примером такого использования является микрохирургия глаза.

В перспективе лазерный луч может применяться как средство связи, особенно в космическом пространстве. Лазерный луч может проходить огромные расстояния за очень малое время, при этом практически не рассеиваясь. Это может существенно облегчить работы, связанные с космическими исследованиями. Наконец, лазеры могут помочь осуществить управляемую термоядерную реакцию (об этом упоминалось в курсе физики 9 класса). Суть лазерного термоядерного синтеза состоит в следующем: замороженную смесь дейтерия и трития подвергают равномерному и мощному облучению со всех сторон. В результате этого, давление внутри шариков колоссально возрастает, что приводит к увеличению плотности и сильному нагреванию вещества, и начинается термоядерная реакция.

Основные выводы:

– Лазер – это устройство, в котором любые типы энергий преобразуются в энергию узконаправленного потока излучения. Лазеры способны создавать практически не рассеивающиеся пучки света огромной мощности.

– К наиболее распространённым типам лазеров относятся рубиновые лазеры, газовые лазеры и полупроводниковые лазеры. Работа лазеров основана на вынужденном, то есть индуцированном излучении.

– Индуцированным излучением называется излучение, испускаемое возбужденными атомами в результате воздействия света на них.

– На сегодняшний день, одной из наиболее эффективных систем является трехуровневая система. В ней фотоны переходят с первого уровня на третий, где могут находиться в течение значительно меньшего времени, чем на втором энергетическом уровне. Таким образом, возникает мощное излучение, при переходе атомов со второго уровня на первый.

– Лазеры получили очень широкое применение в науке и технике.