Лазеры (оптические квантовые генераторы)

Лазеры – это источники излучения, в основе действия которых лежит явление усиления света с помощью вынужденного излучения.

Лазеры генерируют свет в оптическом диапазоне (в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях).

Из квантовой механики известно, что атомы любого вещества могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии , , ,... Рассмотрим для простоты какие-либо два из них. Если атом находится в основном состоянии Е ₁ (минимальная энергия), то под действием внешнего излучения он может перейти в возбужденное состояние Е ₂ (рис. 4.6, а). Если разность энергий  равна энергии фотона внешнего излучения, то произойдет поглощение внешнего излучения.

Вероятность подобных переходов тем выше, чем больше плотность внешнего излучения. Через некоторый промежуток времени атом из возбужденного состояния может перейти снова в основное без каких-либо внешних воздействий (рис. 4.6, б). При этом он испускает фотон с энергией . Процесс испускания возбужденным атомом фотона без внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как спонтанные переходы взаимно не связаны.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию , то произойдет вынужденный переход атома в основное состояние Е ₁ с излучением двух фотонов той же энергии  (рис. 4.6, в), т. е. при таком переходе происходит излучение фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошло излучение. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным излучением.

б

а

в

 

Рис. 4.6. Виды лазерного излучения:

а – поглощение; б – спонтанное излучение; в – вынужденное излучение

Таким образом, результатом вынужденного излучения атома являются два фотона – первичный, который вызвал излучение, и вторичный – испущенного фотона. Существенно, что вторичный фотон является точной копией первичного, т. е. они неотличимы. Вынужденное излучение, как было показано Эйнштейном и Дираком, тождественно вынуждающему излучению: оно имеет такую же частоту, поляризацию и направление распространения, т. е. вынужденное и вынуждающее излучения строго когерентны.

Если испущенные фотоны встречают на своем пути (а они движутся в одном направлении) другие возбужденные атомы, то они вызывают новые вынужденные (индуцированные) переходы, и число испущенных фотонов нарастает лавинообразно.

Однако, наряду с процессом вынужденного излучения, идет процесс поглощения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы в среде число атомов, находящихся в возбужденных состояниях, было больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей уровней, а среда в таком состоянии – активной средой. Процесс перевода среды в состояние с инверсией населенностей уровней называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.

Любой лазер имеет три основных компонента (рис. 4.7): систему накачки 1, активную среду 2 и оптический резонатор, используемый для выделения направления лазерной генерации. В простейшем случае он представляет собой систему из двух обращенных друг к другу параллельных (или выгнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми находится активная среда (кристалл или кювета с газом). Обычно одно из зеркал полностью отражающее 3, а второе – полупрозрачное 4. Фотоны, которые излучаются под углом к оптической оси, выходят через боковую поверхность, а движущиеся вдоль оси многократно отражаются от зеркальных торцов, вызывая вынужденное излучение встречающихся на пути атомов. Этот процесс протекает лавинообразно. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный поток большой яркости 5. Таким образом, оптический резонатор формирует направленный (вдоль оси) фотонный поток, обладающий высокими когерентными свойствами.

5

4

3

2

1

Рис. 4.7. Принципиальная схема лазера:

1 – система накачки; 2 – активная среда; 3 – непрозрачное зеркало;
4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч

В настоящей работе используется газовый лазер, рабочей средой которого является смесь атомов гелия и неона. Это лазер непрерывного действия. Накачка газовой среды в нем осуществляется электрическим разрядом и происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение дает неон. Электроны, образующиеся вследствие электрического разряда, при столкновении возбуждают атомы гелия и переводят их в состояние 3 (рис. 4.8).

1

2

3

Рис. 4.8. Механизм создания инверсной населенности лазерного перехода в гелий-неоновом лазере

Если возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, то тоже переводят их на один из верхних уровней, который расположен вблизи соответствующего уровня атома гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с 632,8 нм.

Лазерные источники света обладают рядом особых свойств по сравнению с другими источниками света:

1. Излучение лазера обладает исключительной монохроматичностью и когерентностью, т. е. все волны лазерного пучка характеризуются постоянством разности фаз и частоты (длины волны).

2. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около рад), т. е. почти параллельные лучи.

3. Лазеры являются наиболее мощными искусственными источниками света.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать с, а следовательно, и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов.

Широкое применение лазеры нашли в медицине.

В настоящее время рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза. Лазерное излучение с каждым годом получает все большее применение.

Вариант 1

Изучение дифракции света

Описание рабочей установки

Установка, на которой выполняется задание, включает в себя (рис. 4.9): 1 – оптическую скамью, снабженную измерительной линейкой; 2 – газовый лазер, который закреплен неподвижно; 3 – коллиматор (держатель, в который помещают экран с вертикальной щелью или дифракционную решетку); 4 – экран с горизонтально расположенной миллиметровой шкалой.

1

4

3

2

Рис. 4.9. Схема экспериментальной установки