Лазеры

Из второго постулата Бора следует, что энергия атома квантована, то есть имеет дискретный ряд значений энергии. Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным. А состояния, которым соответствуют большие значения энергии, — возбуждёнными. Электроны в атоме могут находиться в одном из состояний, определяемых этими уровнями энергии. Вследствие этого при переходах электронов с одного уровня на другой атом излучает или поглощает кванты энергии электромагнитного поля.

Существуют два вида переходов: спонтанные и вынужденные.

Если электрон в атоме, находящийся в возбуждённом состоянии на верхнем энергетическом уровне, переходит на более низкий уровень самопроизвольно без каких-либо внешних воздействий, то происходит так называемый спонтанный переход. При таком переходе излучается фотон, частота которого определяется вторым постулатом Бора:

Переход такого рода является случайным процессом, происходящим в принципиально непредсказуемый момент времени. Этим переходам соответствует спонтанное излучение. Такие процессы происходят в нагретых телах и светящихся газах. При нагревании или электрическом разряде часть атомов переходит в возбуждённое состояние. Затем они излучают свет, переходя в основное состояние.

Случайность спонтанных переходов электронов в атомах и молекулах различных веществ означает то, что они происходят неодновременно и независимо друг от друга. Поэтому фазы излучаемых при переходах электромагнитных волн не согласованны. Вследствие этого, спонтанное излучение вещества ненаправленно, некогерентно и неполяризованно.

Переход атома из одного состояния в другое может происходить также и безызлучательным путём. В этом случае избыток энергии выделяется в какой-либо иной форме. Например, он может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул.

А теперь самое главное. В тысяча девятьсот шестнадцатом (1916) году Альберт Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение он назвал вынужденным или индуцированным.

Вынужденное излучение обладает удивительным свойством, которое резко отличает его от спонтанного излучения. Дело в том, что в результате взаимодействия возбуждённого атома с фотоном атом испускает ещё один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении, то есть, образно говоря, фотоны «клонируют» друг друга. Именно поэтому индуцированное излучение приобретает свойства монохроматичности, когерентности и направленности.

Важнейшей характеристикой любого квантового перехода является вероятность перехода, которая определяет, как часто происходит данный квантовый переход. Она прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность спонтанного перехода постоянна для данной пары энергетических уровней.

Число атомов, электроны которых находятся на данном энергетическом уровне в единице объёма вещества, называют населённостью этого уровня.

В естественных условиях (в условиях теплового равновесия) в веществе число атомов в возбуждённом состоянии с бо́льшей энергией меньше, чем число атомов, в состоянии с меньшей энергией.

Ещё в 1940 году русский физик Валентин Александрович Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн путём искусственного изменения населённости уровней в веществе.

Рассмотрим два энергетических уровня атома. Если при падении на такое вещество электромагнитного излучения частотой v_mn достигнуто неравновесное состояние вещества, для которого на верхнем энергетическом уровне находится большее количество электронов в атоме, чем на нижнем, то излучаться будет большее число квантов, чем поглощаться. В этом случае будет происходить усиление падающего излучения, и вещество будет действовать как усилитель.

Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населённостью.

Процесс создания инверсной населённости получил название накачки.

Вещество же, в котором осуществлена инверсия населённостей, называется активным (или активной средой).

Явление индуцированного излучения позволяет управлять излучением атомов, усиливать и генерировать когерентное излучение. Однако основная трудность в практическом осуществлении данной идеи — это создание инверсной населённости. Советскими физиками Николаем Геннадьевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым и независимо от них американским учёным Чарльзом Таунсом в середине 50-годов XX века был предложен универсальный метод создания инверсной населённости посредством воздействия на молекулы внешнего электромагнитного излучения на резонансной частоте. Впоследствии он получил название метода трёх уровней.

Рассмотрим этот метод. Итак, общее число уровней в веществе всегда велико, но в нём существуют три «рабочих» энергетических уровня, которые позволяют создать инверсию населённостей. У некоторых атомов имеются долгоживущие промежуточные возбуждённые состояния (их называют метастабильными), время жизни в которых может доходить до нескольких секунд, в то время как в обычных возбуждённых состояниях время жизни составляет порядка ~10^–8 с.

В этом случае, если накачка производится на частоте перехода между нижним и верхним уровнями, то можно перевести часть атомов из основного первого состояния в возбуждённое состояние 3. За короткое время (порядка десяти наносекунд) бо́льшая часть этих атомов самопроизвольно перейдёт в метастабильное долгоживущее возбуждённое состояние 2 без излучения. Избыточная энергия передаётся веществу, вследствие чего оно нагревается.

Населённость промежуточного (метастабильного) уровня, увеличиваясь за счёт спонтанных переходов с верхнего уровня на промежуточный, может превысить населённость нижнего уровня. Пропустив излучение с энергией, равной разности энергий второго и первого уровней через систему находящихся в метастабильном состоянии атомов, получаем дополнительно к исходным фотонам ещё и индуцировано испущенные фотоны. Вследствие этого результирующий поток фотонов будет превышать исходный. Таким образом, на частоте перехода с метастабильного второго уровня на основной будет происходить усиление и генерация излучения.

Использование этого метода позволило учёным в 1953 году создать микроволновой генератор радиоволн с длиной волны 1,27 сантиметра — первый мазер. В 1964 году Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера — мазера».

Однако ещё за четыре года до этого американский физик Теодор Майман продемонстрировал работу первого в мире оптического квантового генератора —лазера.

Слово лазер является сокращённой записью английской фразы — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Лайт Эмплифике́йшн бай Стимулэ́йтид Ими́шшен оф Рэйдиэ́йшн), которая переводится, как «усиление света путём вынужденного испускания излучения».

Лазеры, или оптические квантовые генераторы, — это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.

Во-первых, лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (всего около 10^–5 рад). Представьте, на Луне такой пучок, испущенный с Земли, даёт пятно диаметром всего 3 километра.

Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает случайных изменений.

И, в-третьих, лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения до 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца почти на тринадцать порядков ниже (7 ∙ 10³ Вт/см²), причём суммарно по всему спектру.

Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. Они находят широкое применение в военной технике, технологии обработки материалов, медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизио́нных интерференционных экспериментах, в химии, да и просто в быту.

Одно из важнейших свойств лазерного излучения — чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Принцип работы лазеров заключается в использовании вынужденных излучательных переходов в системах с инверсией населённости для генерации когерентных световых волн.

По виду активной среды и способу накачки лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, химические, газодинамические и волоконные.

Рассмотрим принципиальную схему самого первого твердотельного рубинового лазера. Он состоит из двух параллельных плоских зеркал, одно из которых — полностью отражающее, другое — полупрозрачное, служащее для выхода излучения из резонатора. Накачка осуществляется вспышкой мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем.

На начальной стадии генерации фотоны, спонтанно испущенные атомами активной среды, распространяются в различных направлениях. Но только фотоны, которые распространяются перпендикулярно зеркалам, многократно проходят через активную среду в результате отражений от зеркал резонатора.

Излучённая атомами энергия накапливается в резонаторе и, воздействуя на активную среду, вызывает новые индуцированные переходы. Происходит лавинообразное «размножение» фотонов в веществе. Далее пучок монохроматического лазерного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Теперь, для закрепления материала, давайте с вами решим одну небольшую задачку. В лазере на рубине, работающем в импульсном режиме на длине волны 694 нм (тёмно-красный свет), используется оптическая накачка. Предположим, что рубиновый стержень лазера получил при накачке энергию 20 Дж. Длительность лазерного импульса составляет 1 мс. Определите, какую мощность в импульсе развивает лазер, и какую плотность светового потока можно получить при фокусировке когерентного лазерного излучения на площадке, площадью 10^–2 мм²?

В заключение отметим, что несмотря на широкое применение лазеров в современном мире, при работе с ними необходимо быть внимательными и осторожными. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для глаз и кожи. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение лазеров большой мощности способно вызывать ожоги кожи. Оно представляет также пожарную опасность.