Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики

Основными источниками излучения, применяемыми в оптоинформатике, являются лазеры. В этой главе мы рассмотрим физические основы работы лазеров, их типы и возможность использования для целей оптоинформатики.

Вторая половина прошлого века ознаменовалась интенсивным развитием оптических методов и средств получения передачи и хранения информации. Основным толчком к бурному росту интереса к этому направлению явилось создание в начале 1960 годов лазеров, генерирующих в видимом диапазоне спектра, появление которых привело фактически к революции в оптике и ее прикладных областях.

В разработку лазеров огромный вклад внесли российские ученые, среди них трое, А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ж.И. Алферов за это получили Нобелевскую премию. В 1958 г. А.М. Прохоровым и Р. Дике (США) была предложена идея использования открытого резонатора. Первый лазер в оптическом диапазоне спектра – рубиновый - был создан Т. Мейманом (США) в 1960 г., а через полгода А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом (США) был сконструирован первый газовый лазер. В 1962 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры, в которых был использован предложенный в 1961 г. Н. Г. Басовым метод образования инверсии населенностей инжекцией электронов и дырок через p-n -переход. В 70-х годах прошлого века Ж.И. Алферовым были разработаны полупроводниковые лазеры на гетероструктурах, нашедшие широкое применение в системах передачи и хранения информации.

Физические основы работы лазеров

 

Слово “Лазер” является аббревиатурой слов английского выражения “ L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation” – усиление света вынужденным излучением.

Для понимания работы лазера необходимо рассмотреть основные принципы взаимодействия излучения с веществом.

 

Оптическое усиление

 

Системы атомов, ионов и молекул могут иметь только дискретные энергетические состояния. Переход с одного энергетического уровня на другой сопровождается излучением или поглощением фотона (Рис.1.1).

 

Рис. 1.1. Два энергетических уровня квантовой системы

 

Длина волны поглощённого или излученного кванта определяется соотношением Бора.

 

                                                    (1.1)

Где E ₂ E ₁ - два дискретных уровня энергии, n ₂₁ – частота и h = 6.6 ∙ 10-34 Дж∙с – постоянная Планка. Состояние, при котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее устойчива – когда её внутренняя энергия минимальна, т.е. когда нижние энергетические уровни более заселены, чем верхние. Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном состоянии квантовая система может только поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние. В лазерах это достигается использованием внешнего источника накачки, который переводит электроны с нижнего энергетического уровня на верхний. Этим достигается инверсия населённости. Электромагнитная волна на частоте n ₂₁, падающая на инвертированное лазерное вещество (лазерный активный элемент), будет усиливаться, потому что падающие фотоны переводят электроны с верхнего уровня на нижний с излучением дополнительных фотонов. В результате, энергия, взятая из лазерного вещества, добавляется к энергии падающей на него электромагнитной волны. Так создаётся стимулированное излучение.

Если всё это сказать коротко, то когда лазерное вещество возбуждается и количество атомов (или молекул) на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем, лазерное вещество становится способным усиливать падающее на него излучение, соответствующей частоты. Вот откуда и появилась аббревиатура “ L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation” – усиление света вынужденным излучением.

Из квантовой механики, описывающей взаимодействие излучения с веществом, следует, что стимулированное излучение имеет абсолютно те же параметры, что и стимулирующее (падающее на вещество) излучение: направление, поляризацию, фазу и спектр. Этот факт и определяет экстремально высокую степень когерентности лазерного излучения. Основу теории процесса образования стимулированного излучения создали М. Планк (Рис.1.2) и А. Эйнштейн (Рис. 1.3).

 

 

Рис. 1.2. Макс Планк

 

 

 

Рис. 1.3. Альберт Эйнштейн

 

Рассматривая историю создания лазеров следует отметить большой вклад, который сделали следующие учёные:

 

• 1900 – М. Планк – M. Planck (квант, постоянная Планка). Свет испускается порциями энергии – квантами E = h n

• 1916 – А. Эйнштейн – A. Einstein (вынужденное излучение). Кванты вынужденного излучения неотличимы от первичных: частота, фаза, поляризация, направленность.

• 1924 – Ш. Бозе – Bose, А. Эйнштейн (статистика фотонов)

• 1927 – П.А.М. Дирак – Dirac (квантовая теория)

• 1954 – Ч. Таунс-Townes, А. Шавлов –Schawlow (мазер-

• Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

• 1954 – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (мазер)

• 1960 – Т. Мейман –Maiman (рубиновый лазер), Е. Снитцел – Snitzel (Nd:glass лазер)

• 1961 – А. Джаван (He-Ne лазер)

• 1962 – Р. Холл –Hall (полупроводниковый GaAs лазер)

• 1968 – Ж.И. Алферов (гетероструктуры)

 

Советские учёные Н. Г. Басов и А. М. Прохоров совестно с американским учёным Ч. Таунсом за создание лазеров были награждены Нобелевской премией 1964 года. Фотографии этих учёных представлены на рисунке 1.4.

 

Рис. 1.4. Нобелевские лауреаты 1964 года