Оптические квантовые генераторы (лазеры)

ЛЕКЦИЯ

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

1. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Проблема создания мощных остронаправленных источников электромагнитного излучения издавна существовала в практической жизни человека. Она была решена с открытием явления вынужденного излучения. Возник новый раздел физики квантовая электроника, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных волн, основанные на использовании вынужденного излучения квантовых систем. Были созданы квантовые генераторы волн СВЧ-диапазона – мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), а чуть позже оптические квантовые генераторы – лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Е₂

Е₁

поглощение

а)

Е₂

Е₁

спонтанное

излучение

б)

Рис. 1

hν

hν

Е₂

Е₁

в)

вынужденное

излучение

hν

hν

hν

Число вынужденных переходов будет определяться заселённостью энергетических уровней соответствующих данному возбуждённому состоянию атомов среды.

С другой стороны параллельно с вынужденным излучением имеет место конкурирующий процесс – поглощение фотонов. Число актов поглощения пропорционально заполненности энергетических уровней соответствующих основному состоянию атомов среды. В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана (рис.2). По оси абсцисс откладывается вероятность нахождения атома в данном энергетическом состоянии. Как видно из рисунка (кривая 1) «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Это означает, что актов поглощения будет больше, чем актов излучения. Кванты индуцированного излучения будут поглощены, так и не успев вызвать последующие вынужденные переходы. Т.О. усиление света не произойдёт.

Чтобы осуществить усиление света, необходимо создать неравновесное состояние, при котором число атомов в возбуждённых состояниях больше их числа в основном (кривая 2). Такие состояния называются состояниями с инверсией населённости. Процесс перевода среды в состояние с инверсной населённостью уровней возбуждения называется накачкой. Среды, которые допускают перевод в инверсное состояние, и вследствие этого способные усиливать падающий на них пучок света называются активными. В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.

Впервые вынужденное излучение наблюдалось в 1939 г. русским физиком В.А.Фабрикантом в эксперименте с парами ртути. В 1951 г. было зарегистрировано авторское свидетельство, в котором предлагался способ генерации и усиления электромагнитного излучения за счёт индуцированного излучения. С этого момента в физике возникло новое направление – квантовая электроника. На практике первый принципиально новый генератор электромагнитного излучения в микроволновом (СВЧ) диапазоне (мазер) сконструирован в 1955 году русскими учёными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским учёным И. Таунсом. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году Т. Мейманом был построен первый генератор, работающий в оптическом диапазоне (лазер), с рубином в качестве рабочего вещества. А спустя несколько месяцев другой американский учёный А. Джаван создал первый газовый лазер. В качестве активной среды он использовал смесь газов гелия и неона.

Функциональная схема любого лазера обязательно включает в себя три основных компонента:

1. Активную среду (рабочее вещество, рабочее тело). По этому признаку лазеры делятся на газовые, жидкостные, твёрдотельные и полупроводниковые.

2. Систему накачки (способ создания инверсной населённости). Различают оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. методы накачки.

3. Оптический резонатор (устройство, формирующее выходящий из лазера световой пучок). Резонатор представляет собой систему зеркал, призм и некоторых других деталей. В твёрдотельных лазерах зеркалами обычно служат специально обработанные торцы активного тела, которое имеет вид стержня. Оптический резонатор фиксирует направление, в котором происходит генерация излучения, и обеспечивает выбор той длины волны, которую предполагают усилить.

Рис. 3

Рабочим телом этого лазера является кристалл рубина в виде стержня цилиндрической формы, со строго параллельными тщательно отшлифованными торцами (образуют зеркальный резонатор). Один торец покрыт толстым слоем серебра и непрозрачен для света. Толщину покрытия другого торца подбирают таким образом, чтобы оно было полупрозрачным для испускаемого лазером излучения. Длина стержня ограничена. Использование рубина длиной более 30 см не целесообразно, т.к. усложняется накачка атомов и фокусировка излучения.

 В рубиновом лазере применяется оптическая накачка активной среды. С этой целью используется импульсная ксеноновая лампа, в виде спирали, обвивающей рубиновый стержень. Плазма, возникающая в лампе в результате электрического разряда, излучает мощный импульс света, который проникает в рубиновый стержень и возбуждает атомы хрома. Из всего потока света атомы хрома поглощают фотоны только с длиной волны λ = 560 нм (соответствуют зелёному цвету), в результате чего переходят с энергетического уровня 1 на уровень 3.

Время жизни в возбуждённом состоянии на этом уровне ~10^-8 с. После чего происходит спонтанный переход на уровень1 или, что наиболее вероятно, безизлучательный переход на более низкий уровень 2. Энергия безизлучательного перехода 3→2 превращается в тепловую энергию кристаллической решётки рубина. Переход 2→1 запрещён правилами отбора. Это означает, что спонтанные переходы 2→1 маловероятны, т.е. уровень 2 является метастабильным. Время жизни в возбуждённом состоянии 2 порядка 10^-3 с. Это примерно в 100 000 раз больше, чем в состоянии 3. При достаточной мощности накачки на уровне 2 будет создано состояние с инверсной населённостью. Теперь каждый случайно родившийся при спонтанном переходе 2→1 фотон может вызвать лавину индуцированных переходов 2→1, в результате чего появятся вторичные фотоны, точная копия первичных. Зарождается когерентное индуцированное излучение с длиной волны соответствующей переходу 2→1 (λ = 694,3 нм).

Индуцированное излучение возникает одновременно во множестве точек рабочего тела лазера. Т.к. первичные фотоны, инициирующие этот процесс, испускаются в разных направлениях, то и вынужденное излучение будет распространяться в самых разных направлениях. Потоки вторичных фотонов, направленных под углом к оси рубинового стержня выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же фотоны, которые будут двигаться параллельно оси стержня, испытают многократное отражение от зеркальных торцов рабочего тела лазера. При каждом отражении поток фотонов будет нарастать. В конечном итоге резонатор сформирует когерентный строго направленный пучок огромной яркости, который выйдет из лазера через полупрозрачное зеркало.

Как и большинство твёрдотельных оптических квантовых генераторов, лазер на рубине работает в импульсном режиме. Средняя мощность излучения около 1Вт, коэффициент полезного действия до 2%.

Наряду с кристаллическими, в настоящее время широкое распространение получили газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется газ или смесь газов. Характерным для таких лазеров является непрерывность режима излучения.

Рис.5

Генерация лазерного излучения происходит при переходе атомов неона из возбуждённого состояния 3 на один из нижележащих уровней 2 (рис.6). Для этого необходимо увеличить населённость уровня 3 и уменьшить её на уровне 2.  Гелий играет вспомогательную роль – способствует созданию инверсной заселённости рабочих уровней атомов неона. Накачка осуществляется в два этапа (рис.6). Электрический разряд возбуждает атомы гелия (Не), переводя их на метастабильный уровень 3^*. Т.к. первый возбуждённый уровень 3^* гелия практически совпадает с уровнем 3 неона, то при неупругих соударениях возбуждённые атомы гелия передают свою энергию атомам неона, а сами возвращаются в исходное состояние. В результате этого атомы неона из основного состояния переходят на уровень 3. Т.к. атомов гелия больше и их уровень 3^* метастабильный, то на уровне 3 неона удаётся создать состояние инверсной населённости.

Разгрузка уровня 2 осуществляется путём подбора диаметра газоразрядной трубки. Его подбирают таким, чтобы соударение атомов неона со стенками трубки стимулировало их переход из состояния 2 в основное состояние 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населённость рабочих уровней 2 и 3 неона.

Верхние уровни неона (2, 3) обладают сложной структурой, они состоят из множества подуровней. Существует около 30 разрешённых правилами отбора переходов с подуровней 3 на подуровни 2. Поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на многих длинах волн в области видимого и инфракрасного излучения. Выбор длины волны осуществляется с помощью резонатора. Резонатор создаёт условия для самовозбуждения и поддержки генерации только одной выбранной длины волны. Так, например, первый гелий-неоновый лазер излучал длину волны 1,153 нм. Примерно через два года была открыта генерация в области видимого света на длине волны 632,8 нм. Мощность излучения, испускаемого гелий-неоновым лазером, порядка 10 мВт, коэффициент полезного действия около 0,1 %.  

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения[1].

Лазерное излучение (явление) состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона не поглощая его, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (излучённый фотон является «точной копией» фотона, который его «спровоцировал»). Таким образом происходит усиление светового потока электромагнитного излучения. В отличие от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, в данном случае имеет место излучения направленного усиленного луча через поляризацию и одинаковую фазу колебания [2][3]

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии[4]. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.[5].

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости[6].

Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.[7].

Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер благодаря дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом. Например, луч небольшого лабораторного гелий-неонового лазера разойдётся всего примерно на 1,5 километра на расстоянии от Земли до Луны. Конечно, некоторые лазеры, особенно полупроводниковые, благодаря малым размерам, создают сильно расходящийся луч. Однако эту проблему можно решить применением линз.

Познавательные статьи:



Как правильно слушать собеседника

Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе

Принятие христианства на Руси и его значение

Средства массовой информации США