Индуцированное излучение. Лазеры

Атом, находясь в возбуждённом состоянии n с энергией , может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией , отдавая избыточную энергию путём испускания фотона (электромагнитной волны) с энергией . Процесс испускания фотона возбуждённым атомом (или молекулой) без каких-либо внешних воздействий называют спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно.

В 1916 году А. Эйнштейн, для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением, постулировал (предположил), что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия.

Если на атом, находящийся в возбуждённом состоянии n с энергией , падает внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию = , то атом, под действием этого излучения, может совершить вынужденный (индуцированный) переход, сопровождаемый излучением фотона с энергией ,в низшее энергетическое состояние k.

При подобном переходе атом излучает новый фотон, не поглощая того фотона, под действием которого произошёл переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называют вынужденным (индуцированным) излучением. Существенным является то, что индуцированное излучение совершенно неотличимо от падающего излучения, т.е. совпадает с ним по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Следовательно, инициированное одним падающим фотоном индуцированное излучение является когерентным.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют новые индуцированные переходы, и число фотонов растёт лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением происходит и конкурирующий процесс - поглощение фотонов. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально количеству атомов, находящихся на n-ом энергетическом уровне) превышало число актов поглощения фотонов (оно пропорционально количеству атомов, находящихся на -ом энергетическом уровне). В образце, находящемся в термодинамическом равновесии, число поглощённых фотонов падающего излучения преобладает над числом фотонов, инициирующих вынужденное излучение. Поэтому падающее излучение, по мере его распространения в таком образце, ослабляется.

Чтобы среда усиливала падающее на неё излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбуждённых состояниях было бы больше, чем их число в основном энергетическом состоянии. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсной населённостью (энергетических уровней атомов). Процесс перевода системы частиц в неравновесное состояние называют накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими, химическими и другими способами.

В средах с инверсной населённостью энергетических уровней интенсивность распространяющегося излучения не уменьшается, а увеличивается. Впервые на возможность создания генератора электромагнитных волн оптического диапазона указал в 1939году советский физик В.А. Фабрикант. Он же предложил конструкцию оптического квантового генератора (лазера).

Основные элементы лазера: 1) рабочее тело из активной среды, в которой создают инверсную населённость энергетических уровней; 2) устройство накачки для создания в активной среде инверсной населённости; 3) оптический резонатор - устройство, формирующее выходящий пучок света.

Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн впервые была реализована при создании в 1955 году мазера - генератора электромагнитных волн сантиметрового (по l) диапазона советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, а также американским учёным Ч. Таунсом. Создание подобных генераторов света затруднялось более высокими технологическими требованиями, но в 1960 году эти трудности удалось преодолеть и первый квантовый генератор света (лазер или оптический квантовый генератор) был всё-таки создан. Это было сделано американскими физиками под руководством Меймана. Заметим, что слово ЛАЗЕР является аббревиатурой от английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает "усиление света с помощью вынужденного излучения". Лазеры могут генерировать излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, которые все вместе и составляют оптический диапазон.

В лазере Меймана в качестве активной среды был выбран кристалл рубина (оксид алюминия с 0,05%примесью трёхвалентного хрома ). В этом кристалле инверсная населённость осуществляется по трёхуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. Для оптической накачки в этом лазере используется импульсная газоразрядная лампа. При вспышке лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни энергетической зоны 3, образованной совокупностью энергетических подуровней. Часть атомов хрома из зоны 3, спонтанно излучая фотоны, возвращаются на уровень 1, а другая (большая) их частьбезызлучательно переходит на метастабильный уровень 2, на котором время жизни атомов хрома на три порядка больше, чем в зоне 3.

Посколькупорождающие индуцированное излучение переходы носят случайный характер, то спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Поэтому и

лавины индуцированных фотонов также распространяются в разных направлениях, представляя собой рассеянное излучение. Для выделения направления генерации индуцированного излучения применяют оптический резонатор, обычно состоящий из двух зеркал (одно из которых полупрозрачно), установленных перпендикулярно оси рабочего тела. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла, выходят из активной среды через её боковую поверхность. Фотоны же, движущиеся вдоль оси, многократно отражаются от зеркал, каждый раз вызывают вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, инициируют вынужденное излучение, и т.д. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая направленный пучок огромной яркости.

Свойства лазерного излучения: 1) когерентность; 2) высокая степень монохроматичности ( м); 3) большая интенсивность ( Вт/м²); 4) малая угловая расходимость ( рад); 5) не поляризовано, так как оптический резонатор не селективен к поляризации фотонов.

Основные области применения лазеров: 1) технологические процессы; 2) передача и обработка информации (сети связи); 3) измерительная техника; 4) голография (способ получения объёмных изображений); 5) хирургия (особенно на сетчатке глаза) и т.д.