Оптический квантовый генератор – лазер

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, а, следовательно, и энергия атома в целом, не произвольна. Она может иметь лишь определенный дискретный ряд значений Е₀, Е₁, Е₂, …, Е_п, …, которые называется уровнями энергии. Самый нижний уровень энергии Е₀, при котором энергия атома наименьшая, является основным уровнем, остальные, соответствующие более высокой энергии Е₁, Е₂, … - возбужденными. Изменение энергии атома, т.е. переход его из одного состояния в другое, осуществляется скачком – квантовым переходом, который сопровождается поглощением или излучением атомом электромагнитной волны с частотой, определяемой соотношением:

, (4)

где Е_п и Е_m - конечный и начальный уровень энергии, h - постоянная Планка.

Возбуждение атома происходит в результате сообщения атому дополнительной энергии при каких-либо внешних воздействиях. Это состояние атома неустойчиво, поэтому через некоторое время (≈10^-8сек) атом возвращается в основное состояние, излучая при этом фотон, уносящий дополнительную энергию, полученную атомом при возбуждении. Переход на основной уровень может быть как единым (рис. 2а), так и ступенчатым (рис. 2б), через промежуточные уровни. В последнем случае при переходах будет излучаться несколько фотонов с частотами, соответствующими разности энергий этих промежуточных уровней, причем некоторые переходы на низлежащие энергетические уровни могут не сопровождаться излучением, т.е. быть безизлучательными. При таких переходах энергия атома передается соседним атомам или молекулам кристаллической решетки и переходит в энергию их колебательного (теплового) движения

У некоторых веществ имеются возбужденные энергетические уровни, переход с которых на основной путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т.е. происходит медленно и постепенно, поэтому возбужденные атомы могут задерживаться на них достаточно долго. Такие уровни называются метастабильными.

 

Рисунок 2. Виды атомных переходов с одного энергетического уровень на другой

 

Выше говорилось лишь о таком механизме излучения, при котором атом переходит на более низкий энергетический уровень без всякого внешнего толчка, самопроизвольно, или, как говорят, спонтанно. Поэтому и сам переход, и сопровождающее его излучение носят случайный характер. Именно вследствие этого излучение обычных источников света (ламп накаливания, газоразрядных и т.д.), которое складывается из излучений отдельных атомов, не монохроматично, не направленно, не когерентно и не поляризовано

Однако спонтанный механизм излучения не является единственно возможным. Переход с одного уровня, в том числе и с нестабильного, на более низкий может быть ускорен путем какого-либо энергетического воздействия на атомы, например, воздействия внешней электромагнитной волны с частотой, равной частоте перехода. Особенность таких вынужденных (индуцированных) переходов состоит в том, что излучаемый при этом фотон абсолютно неотличим от вызывающего этот переход первичного фотона, т.е. индуцированное электромагнитное излучение тождественно совпадает по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации с первичным падающим на вещество излучением. Именно эта замечательная особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления электромагнитных волн. Возможность усиления покажем на следующем примере.

Рассмотрим вещество, в котором имеется достаточное число возбужденных атомов с энергией Е_п. число таких атомов N_n называется населенностью уровня E_n. пусть N_m - населенность нижележащего энергетического уровня Е_т (Е_т < Е_п). В естественных условиях (при термодинамическом равновесии) в веществе уровни с меньшей энергией заселены больше, чем уровни с большей энергией, т.е. N_n < N_m. Под влиянием падающей электромагнитной волны с частотой может возникнуть либо поглощение атомом, находящимся на уровне Е_т, кванта энергия при переходе другого атома, находящегося на уровне Е_п, на уровень Е_т.. Вероятности переходов каждого атома под влиянием излучения с уровня на уровень в обоих направлениях Е_т Е_п равны. Но, поскольку населенность низшего уровня N_m. больше, чем верхнего, то под влиянием падающего излучения большее число атомов переходит в единицу времени с уровня Е_т на Е_п, чем наоборот. Этим и объясняется тот факт, что в обычных условиях вещество поглощает падающее на него излучение.

Теперь рассмотрим случай, когда населенность верхнего энергетического Е_п уровня превышает населенность нижнего уровня Е_т (N_n < N_m.). В этом случае по мере прохождения электромагнитной волны через вещество будет происходить ее усиление, благодаря тому, что под влиянием падающего излучения количество вынужденных переходов с уровня Е_п на Е_п будет превосходить число атомов поглощения Е_т → Е_п.

Таким образом, для усиления электромагнитного излучения необходимо искусственно изменить населенность уровней в веществе так, чтобы населенность вышележащего энергетического уровня была бы выше, чем нижележащего. Такое неравновесное состояние вещества называется активным (или состоянием с инверсией населенности), а само вещество – активным.

Приборы, использующие индуцированное излучение, могут работать, как и в режиме усиления, так и в режиме ускорения электромагнитной волны. В соответствии с этим они называются либо квантовыми усилителями, либо квантовыми генераторами. Последние подразделяют на лазеры – генерирование видимого света и мазеры – генерирование инфракрасного света и радиоволн.

Как и в классическом ламповом генераторе, состоящим из резонансного колебательного контура, электронной лампы и источника питания, в квантовом генераторе – лазере – можно выделить три основных элемента: резонатор, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, активная среда, обеспечивающая усиление излучения и источник энергии, создающей инверсную населенность. В качестве резонатора берут систему из двух параллельных зеркал. Такой резонатор не похож на классический колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Тем не менее, обе эти системы выполняют примерно одну и ту же функцию в схеме генератора электромагнитных колебаний, только каждая из них приспособлена для своего диапазона частот.

Активной средой может являться твердое тело, жидкость или газ, вследствие чего различают твердотельные, жидкостные и газовые лазеры.

Источник энергии и метод перевода вещества в активное состояние различны для каждого типа лазера в зависимости от вида активной среды.

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы твердотельного лазера на кристалле рубина (рис. 3).

 

 

Рисунок 3. Структурная схема рубинового лазера

 

По химическому составу рубин представляет собой Al₂O₃ с небольшой примесью Cr₂O₃ . активным элементом лазера служит кристалл рубина, имеющий удлиненную цилиндрическую форму. Роль резонатора выполняют тщательно отполированные и посеребренные торцы самого рубинового стержня, один из которых является полупрозрачным (частично отражающим). Инверсная населенность достигается с помощью вспомогательного излучения, которое дает импульсная газоразрядная лампа, в виде спирали, окружающая рубиновый стержень.

В явлении генерации света участвуют только ионы хрома (алюминий и кислород являются инертными). Поглощая энергию от лампы вспышки в синей и зеленой областях видимого света, ионы Cr переходят из основного состояния Е₀ и возбужденные, которые представляют собой две группы тесно расположенных энергетических уровней (энергетические полосы Е₁ и Е₂) (рис. 4). В этих состояниях ионы находятся очень короткое время (~ 10^-7 сек) и затем безизлучательно переходят на нижерасположенный энергетический уровень Е₃, отдавая избыток энергии в виде тепла, нагревающего кристалла рубина.

 

 

 

Рисунок 4. Переход ионов хрома из возбужденного состояния в основное

 

Это промежуточное возбужденное состояние Е₃ является метастабильным, потому что ион хрома может находиться на нем сравнительно долго (~ 10 ^-3 сек). В течение этого времени ионы накапливаются на метастабильном уровне Е₃, в результате чего число таких ионов становится больше числа ионов в основном состоянии, т.е. между этими уровнями возникает инверсная населенность. Спонтанный переход хотя бы одного из возбужденных ионов хрома с уровня Е₃ на Е₀ воздействует на соседние ионы, вызывая их вынужденные переходы, сопровождающиеся излучением одной и той же частоты ν:

Фотоны, которые движутся не параллельно продольной оси кристалла, покидают его, проходя через прозрачные боковые стенки. Фотоны, испускаемые вдоль оси, многократно отражаются от его зеркальных торцов и на своем пути вызывают индуцированное излучение все большего числа ионов. При достаточно большой инверсной населенности усиление излучений в рубине вследствие индуцированных переходов будет превышать потери на поглощение в зеркалах и на других частицах самого кристалла, в результате чего лавинообразно нарастает поток фотонов. Достигнув достаточной мощности, излучение выходит наружу через полупрозрачный торец рубинового стержня.

Луч лазера существенно отличается от обычного луча света, что и определяет его широкое применение. Лазерное излучение когерентно, почти монохроматично, полностью поляризовано и распространяется в виде узкого параллельного пучка с очень малым углом расхождения. Путем оптической фокусировки такого пучка можно получить исключительно высокую концентрацию световой энергии на ничтожно малом участке вещества. В связи с этим в биологии и медицине сфокусированное излучение лазера используется в качестве тончайшего хирургического инструмента, с помощью которого можно избирательно разрушить микроскопические элементы структуры тканей с исследовательской или медицинской целью. В частности, оно применяется, например, для хирургических вмешательств на сетчатой оболочке глаза.