Принцип работы лазера

Для эффективного использования света в технике связи и других областях науки и техники надо добиться синхронного и синфазного (одинакового по фазе) излучения атомов, т. е. так называемого когерентного излучения. Впервые идею такого излучения высказал в 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант. Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Допустим, имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого фотона и т. д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоритически коэффициент усиления может достигать охеренного значения - 10²⁰. Важно, что в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным. Рассмотренная схема получения когерентного излучения является весьма упрощенной, но зато она наглядно поясняет принцип усиления света.

Реально же кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных дать когерентное излучение под действием фотонной бомбардировки, всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и тем самым уменьшают энергию когерентного излучения, т. е. уменьшают усиление света.

Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, то никакого усиления света не получится, так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами. Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии. Другими словами, должна быть так называемая инверсия населенности энергитических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на основных орбитах (на более низких уровнях), необходимо в большинстве атомов "переселить" электроны на более удаленные от ядра орбиты (на более высокие уровни), т. е. возбудить большинство атомов. Конечно, чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо все это время сохранять инвертированное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого и надо к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веществом, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс называется накачкой.

Вышерассмотренный процесс создания усилителя света получил название лазер. Слово происходит от начальных букв буржуйских слов light amplification by stimulated emission of radiation, означающих "усиление света с помощью вынужденного излучения".

Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1953 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (СССР), а также америкос Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии за исследования в области квантовой электроники. Принцип лазера, иначе называемого оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 1).

Рис. 1 - Принцип устройства лазера

В пространстве заполненным активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2. БОльшая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеракалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т. д. Конечно, какой-то внешний источник энергии должен поддерживать инверсное состояние активной среды, и тогда через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Следует отметить, что система двух или нескольких зеркал, в пространстве между которыми могут существовать стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона, называются открытым или оптическим резонатором. Простейший оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал, называется иначе интерферометром Фабри-Перро.

Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Такое излучение имеет рад весьма важных особенностей. Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5х10^-5 см, то угол расходимости составляет всего лишь 5х10^-5 рад, или 0,003°. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкм (для видимого света). При этом угол расходимости уменьшается до 10^-7 рад. Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверхности круг диаметром 30 м.

Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохромотичностью, т. е. практически излучение имеет одну единственную частоту и соответствующую ей одну единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном пучке одинаковая энергия. Но все же при лазерном излучении наблюдаются флюктуации частоты, за счет того, что некоторая очень небольшая часть атомов дает спонтанное излучение, некогерентное с основным излучением. Поэтому лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10^-3 Гц.

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительных до сверхкоротких (всего лишь 10^-14-10^-15 с) импульсных вспышек. Импульсы света такой малой длительности имеют в пространстве ничножно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Это соответствует мощности, во много раз большей, чем у крупнейших электростанций. Например, если энергия импульса 10³ Дж, а его длительность 10^-13 с, то мощность равна 10³ Дж/10^-13 с=10¹⁶ Вт=10¹⁰ МВт. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. Интенсивность сфокусированного лазерного пучка может быть 10²⁰ Вт/см² и более, и при этом напряженность электрического поля в луче достигает 10¹¹ В/см. Под действием такого сильного поля у многих из веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы.