Оптические квантовые генераторы

Одним из крупнейших открытий последних десятилетий являются лазеры (ОКГ). Их работа основана на явлении усиления электромагнитных колебаний при помощи индуцированного (вынужденного) излучения. Возможность такого излучения была теоретически предсказана в 1916 году А.Эйнштейном. В 1939 году советский физик Фабрикант, изучая газовые разряды, указал на возможность усиления света при помощи индуцированного излучения. В 1952 году советские физики Басов и Прохоров, американский физик Таунс независимо друг от друга создали первый мазер. В мазере происходит усиление электромагнитных колебаний в сантиметровом диапазоне длин волн. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии. В 1960 году американский физик Нейман построил первый лазер. В лазере происходит усиление волн оптического диапазона индуцированным излучением. Лазеры дают излучение с уникальными свойствами и применяются в разных областях науки и техники. Практическое применение лазеров это медицина, химия, вычислительная техника, военное дело.

На примере лазеров проявляется связь теории и практики. Предсказаны лазеры были теоретически. В настоящее время практика опережает теорию, ставит перед ней вопросы, которые еще следует решить, например, вопрос о степени монохроматичности излучения, о максимально возможном КПД лазера.

Физические основы работы ОКГ. Спонтанное и индуцированное излучение.

В основе работы лазера лежит взаимодействие излучения с веществом.

Спонтанное излучение.

Рис.1. - основное состояние атом вещества, - энергия возбужденного состояния.

Пусть на вещество упал квант света с энергией . Он переведет атом из состояния в состояние (переход ). Квант света при этом поглощается.

В возбужденном состоянии атом может находиться с. По прошествии этого времени атом теряет энергию. При этом имеются две возможности:

1. возбужденный атом отдает свою излишнюю энергию другому атому, другой третьему. Колебания постепенно затухают. Поглощенная энергия переходит в тепло. В итоге происходит переход первого атома и других в основное состояние без излучения кванта света. Это безизлучательный переход (переход ).
2. атомы переходят в основное состояние, излучив квант света (переход ). Это излучение спонтанно. Оно обладает рядом свойств. Излучение немонохроматично. Разные атомы излучают в разных фазах. Излучение некогерентно. Направление движения фотонов разное. Поляризация произвольная. Между процессами типа - поглощение и - излучение нет равновесия. Поглощение преобладает над излучением (из-за наличия безизлучательных переходов).

По закону Бугера:

, ,

где - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны и свойств вещества.

Индуцированное излучение.

Рис.2.

Атом находится в состоянии . Эйнштейн показал, что если в возбужденном состоянии на него падает фотон с энергией , то атом перейдет в состояние , излучив фотон с энергией . Фотон, который перевел атом в это состояние, тоже продолжает двигаться. То есть вместо одного фотона, появляется два. Произошло усиление излучения. Это так называемое вынужденное или индуцированное излучение.

, , так как .

Среда, в которой происходит усиление излучения, называется средой с отрицательным показателем поглощения.

Свойства индуцированного излучения.

1. Частота фотонов одинакова
2. Фаза одинакова
3. Направление движения фотонов одинаково
4. Поляризация одинакова
5. Индуцированное излучение когерентно.

Этими уникальными свойствами обусловлено применение индуцированного излучения. Покажем, как получить это излучение на практике.

Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней.

В любой системе, предоставленной самой себе, при любой температуре устанавливается термодинамическое равновесие. Распределение атомов системы по энергетическим уровням подчиняется при этом распределению Больцмана:

,

где - общее число атомов, - число атомов с энергией .

С увеличением энергии число атомов, обладающих этой энергией, убывает, если .

Рис.3.

Это нормальная заселенность уровней. Чтобы создать индуцированное излучение, нужно чтобы в состояниях с большей энергией было больше атомов.

Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней.

Рис.4.

Пусть удалось создать ситуацию, когда на более высоких энергетических уровнях находится больше атомов. Если записать распределение Больцмана для этого случая, то формально это соответствует .

Рис.5.

, , отсюда .

Но отрицательная температура не имеет физического смысла. Следует учесть, что понятие температуры вводится для равновесных состояний. Состояние с - неравновесное. Его можно реализовать искусственно. Заселенность уровней в этом случае инверсное (обращенное) (то есть на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем). Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Накачка может в основном осуществятся двумя способами:

1. используется излучение мощного источника света
2. электрический разряд

Для создания инверсной заселенности уровней используют трех или четырехуровневую систему. Система с двумя уровнями непригодна. Покажем это.

Рис.6.

Облучая мощным источником света, атомы переводят из состояния 1 в 2. Когда населенность уровней станет одинаковой, процессы излучения и поглощения будут компенсировать друг друга.

, , отсюда .

Среда будет прозрачной. Интенсивность света до и после среды будет одинаковой.

Итак, основными элементами лазера будут:

1. активное вещество, где можно создать инверсную заселенность
2. источник накачки (оптический способ, электрический разряд)
3. резонатор

Рубиновый лазер

Один из первых генераторов когерентного света, работающих по схеме трех уровней с твердым телом в качестве активной, усиливающей среды, был создан в 1960 году. Активным веществом является рубин. Это окись , в которой часть атомов замещена на . Активным веществом в рубине являются ионы хрома. От содержания хрома зависит окраска рубина. Обычно хрома в рубине . Длина рубинового стержня берется в пределах см, диаметр см. (рис. 7.)

Схема рубинового лазера.

Рис.7. - непрозрачное зеркало, - полупрозрачное зеркало.

Накачка рубина осуществляется ксеноновой лампой, работающей в импульсном режиме. За с лампа потребляет несколько тысяч джоулей энергии. Мощное излучение ксеноновой лампы переводит ионы из состояние на широкую полосу (рис. 8).

Рис.8.

С этого уровня через с они самопроизвольно безизлучательно переходят в состояние 2. Время жизни этого уровня велико. Это метастабильный уровень. Здесь скапливается большое число атомов. Уровень 2 оказывается инверсионно заселенным по сравнению с уровнем 1. Возникновение инверсии уровней 2 и 1 способствует малая вероятность спонтанных переходов ионов с уровня 2 на уровень 1. Достаточно одному из ионов хрома перейти из состояния 2 в состояние 1, как начинается лавинообразный процесс лазерной генерации. Длина волны лазерного луча для рубина равна 694,3нм. Эффект усиления света, основанный на индуцированных переходах, можно увеличить путем многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой усиливающей среды. Для этого торцы рубина делают зеркальными. Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кристалла. Он рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины частично пройдет через полупрозрачное зеркало , а часть отразится, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до непрозрачного зеркала , она отразится, и будет вновь двигаться как первоначальный затравочный фотон, переводя все новые атомы из в . Расстояние между зеркалами . Усиливаться будет та длина волны , для которой выполняется условие , где - целое число, - это путь, который волна проходит между двумя отражениями. Тогда отраженная и бегущая волна будут в одной фазе, и при их сложении будет резко возрастать амплитуда результирующей волны. Остальные длины волн не удовлетворяющие условию будут гаситься. Волны, идущие не параллельно оси кристалла выйдут через боковые грани. Поток становится строго направленным монохроматичным. Когда мощность луча достигает , он вырывается через полупрозрачное зеркало.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Меняя положение зеркал можно добиться мощности , длительностью с.

В настоящие время созданы лазеры на жидкостях, полупроводниках и газах.

Газовый лазер

Газовые лазеры – это лазеры непрерывного действия. Работают они на 4 уровне системы. Усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном ( , мм.рт.ст., мм.рт.ст). вследствие соударения с электронами атомы гелия переходят в возбужденное состояние (рис.9).

Рис.9.

При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона последние возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона, близко расположенных к соответствующему уровню гелия. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних сопровождается с излучением лазера.