Лазеры (оптические квантовые генераторы излучения)

Рассмотрим еще раз излучение газа, достаточно разреженного для того, чтобы можно было не считаться с влиянием взаимодействия атомов на допустимые энергии стационарных состояний.

Пусть газ находится в равновесном состоянии; это не означает,- что все его атомы имеют наименьшую энергию Е1. Вследствие действия внешних факторов и соударений (хотя и редких) атомов друг с другом часть атомов может перейти в возбужденное состояние с энергией Е1. Мы не можем указать, когда какой атом осуществит такой переход. Но для многочисленного коллектива атомов можно утверждать, что имеется определенная вероятность такого перехода. Если в единичном объеме имеется N1 атомов в состоянии 1, то число атомов, переходящих в некоторое возбужденное состояние 2 за время dt, есть

где коэффициент A12 определяет вероятность перехода. Но возбужденные атомы могут вернуться в исходное состояние, излучив энергию Е2Е1 причем, если вероятность обратного перехода равна A21 , число атомов, переходящих в невозбужденное состояние, окажется равным:

где Ni0 — концентрация атомов в момент t=0.

В этом идеализированном случае рассматриваются лишь два энергетических состояния атомной системы («двухуровневая система») с пренебрежимо узкой шириной каждого уровня; в действительности переход, скажем, с верхнего уровня возможен как в вышележащие состояния, так и в другие, нижележащие, а ширина каждого уровня является конечной, что и приводит к естественной ширине линий переходов.

Так как акты перехода отдельных атомов в невозбужденное состояние совершенно не зависят друг от друга, то получаемое излучение, будучи довольно монохроматичным, не будет когерентным. Поэтому для получения, например, интерференции требуется создание определенных условий: расщепление луча на два раздельных, которые затем снова налагаются друг на друга, пройдя различный оптический путь.

Рассмотренное излучение происходит самопроизвольно и называется самопроизвольным (спонтанным). Но еще в 1916 г. Эйнштейн указал на возможность другого типа излучения — вынужденного (стимулированного). Оно возникает в том случае, если атомы находятся в переменном электромагнитном поле, от которого могут получать дополнительную энергию. Число атомов, поглощающих эту энергию, пропорционально плотности энергии поля w, числу наличных невозмущенных атомов N1 и промежутку времени dt:

Однако под влиянием поля возбужденные атомы могут отдавать избыточную энергию в виде излучения, и число таких атомов будет равно:

где N2 — число возбужденных атомов, B12 и В21— соответствующие вероятности переходов, характерные для вынужденного поглощения и излучения.

При этом может произойти новое важное явление: под влиянием фотона, энергия которого равна энергии фотонов, излучаемых данными атомами (это может быть фотон, испущенный одним из атомов вещества), возбужденные атомы сами будут излучать фотоны той же частоты, и это излучение окажется когерентным с падающим излучением.

Но в обычных условиях относительное число возбужденных атомов тем меньше, чем больше необходимая энергия возбуждения, и оно всегда мало по сравнению с числом атомов, находящихся в невозбужденном состоянии (N20<<N10), так что этот эффект незаметен.

Существует возможность изменить это соотношение. У ряда веществ время пребывания электронов в атомах на некоторых энергетических уровнях относительно велико (до 10-3 с вместо 10-8 с). Пусть уровень W1 (рис. 14.2) соответствует энергии невозмущенного состояния атома. Пусть, кроме того, имеется много уровней с энергиями WW3 (нормальное время пребывания т) и уровень W2 (увеличенное время пребывания τ2). Воздействуем на вещество некогерентным излучением с энергией фотонов WW3; в результате поглощения фотонов многие атомы перейдут в состояние 3, а оттуда частично в состояние 2 и частично вернутся в невозмущенное состояние. Так как время пребывания в состоянии 2 велико, то здесь может накопиться значительное число атомов.

Рис 14.2

Рис 14.3

При достаточной интенсивности некогерентного воздействующего излучения («накачки») в состоянии 2 может оказаться достаточно много атомов. Если их будет больше, чем в состоянии 1 (N2>N1) («неравновесная заселенность»), или если просто число переходов из состояния 2 в состояние 1 будет превышать число переходов из состояния 1 в состояние 2 («накачка» таких переходов не вызывает, так как не содержит соответствующих им фотонов), то излучение энергии с характерной частотой

будет преобладать над соответствующим поглощением.

При выполнении этих условий, т. е. после искусственного заселения уровня 2, под влиянием фотонов с этой частотой (переменного электромагнитного поля) может возникнуть вынужденное излучение, и большое число атомов быстро отдаст свою энергию в виде когерентного излучения той же частоты.

Излучение может быть импульсным, если заселение уровней W3 и W2 производить через определенные промежутки времени, или же непрерывным, если это заселение производить постоянно.

Созданные на этом принципе когерентные источники света — лазеры— появились сравнительно недавно, но уже. получили широкое распространение. Возбуждение атомов, в них происходит светом интенсивного газового разряда. Активную среду с неравновесной заселенностью энергетических уровней атомов помещают между двумя строго параллельными зеркалами (S1 и S2, рис. 14.3). Обычно одно из параллельных зеркал, например S1 отражает свет практически полностью, другое делается полупрозрачным. Рожденные в усиливающей среде фотоны, летящие почти перпендикулярно поверхности зеркал, испытывают между ними многократное отражение и тем самым усиливают эффект вынужденного излучения. Поэтому из полупрозрачного зеркала S2 выходит очень узкий, почти параллельный пучок когерентного-линейно-поляризованного света. Его когерентность настолько совершенна, что все интерференционные и дифракционные опыты можно производить прямо с этим пучком, не прибегая к предварительному диафрагмированию.

Угол раствора выходящего пучка так мал (2—3"), что, например, при посылке его на Луну он имеет сечение всего в несколько десятков квадратных километров. Плотность мощности импульсного вынужденного излучения Может быть при необходимости сделана весьма большой; например, она может превышать плотность мощности солнечного излучения в тысячи раз. Но Солнце дает практически непрерывный спектр, а лазер — весьма монохроматическое излучение: ширина лазерной спектральной линии в десятки тысяч раз меньше ширины линий обычных монохроматических источников света.

Первые лазеры были созданы на сантиметровых волнах (в этом диапазоне частот их называют «мазеры») в 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР), а также Ч. Таунсом (США). Оптические лазеры появились позже — в 1960 г. К настоящему времени лазеры реализованы в широкой области частот от видимого света до миллиметровых волн. В качестве активных сред используются сотни веществ (газы — смесь гелия и неона, твердые вещества — рубин и др.). При определенных условиях устройства, основанные на неравновесной заселенности атомных систем, могут использоваться не только для генерации, но и для усиления света.

Мощные когерентные световые пучки открыли новую главу оптики — нелинейную оптику, интенсивно развивающуюся в настоящее время. При обычных световых мощностях характеристики вещества (Ɛ, μ, γ) не зависят от электрического поля световой волны. Уравнения, описывающие распространение волны, линейны. В частности, поэтому частота электрической волны не изменяется. Но в световой волне современных сверхмощных лазеров электрические поля столь велики, что существенно влияют на распределение зарядов в атомах и молекулах. Это вызывает изменение характеристик среды: уравнение волны становится нелинейным, условия распространения усложняются. В частности, может возникнуть изменение частоты волны. Благодаря большой плотности энергии становится возможным «двухфотонный» процесс: молекула поглощает последовательно два фотона, а потом сразу возвращаете» и невозмущенное состояние, излучая фотон двойной частоты. Так, под влиянием инфракрасного излучения мощного лазера возникает рассеянный свет удвоенной частоты (зеленый). Разумеется, при нелинейных процессах меняются и другие характеристики: показатель преломления, коэффициент поглощения света и т. д.