Основы физики лазеров

    Характерная особенность этого излучения  заключается в том, что испускаемый  свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним  по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

    Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение.

      Квантовые усилители и генераторы света, в  основу которых  положено описанное  явление, работают по схеме, схематично изображенной на рис.1. Пространство  между зеркалами 1 и 2 заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов. Значительное усиление света достигается тогда, когда угол a очень мал. Тогда свет испытывает множество отражений, и все лучи накладываются, усиливая друг  друга. На рис. 1 этому соответствует постепенное утолщение стрелки⁴.

       
 

    1  
 

                     a 

   2 
 
 

Рис. 1. Схема возникновения  индуцированного  излучения (угол  a сильно преувеличен)

2.2. Принцип действия лазеров

      Лазерное  излучение - есть свечение объектов при  нормальных температурах. Но обычных  условиях большинство атомов находятся  в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

      При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

      hv=E₂-E₁,

      где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

            E₂ - энергия высшего энергетического уровня,

            E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

      На  рисунке 2(а) представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в  виде красной стрелки. Атом находится в нижнем энергетическом состоянии. На рисунке 2(б) изображён возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон  в любом направлении.

      

 

 

               а                                                              б                                                       в                  

Рис. 2. Принцип действия лазеров

а - поглощение энергии  и возбуждение  атома; б - атом поглотивший  энергию; в - испускание атомом фотона

 

      Возбужденный  атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить  фотон  в любом направлении.

      Теперь  представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении  через вещество электромагнитной волны с частотой

       ,

      где v - частота волны,

            Е₂ - Е₁ -  разница энергий высшего и низшего уровней,

            h - длина волны.

      эта волна будет не ослабляться, а  напротив, усиливаться за счёт индуцированного  излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. Это показано на рисунке 2(в)⁵.

2.3. Основные свойства лазерного луча

      Лазеры  являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

      Чтобы разобрать понятие когерентности  в деталях, нужно вспомнить понятие  интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

      Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых  волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут  гасить друг друга. В этом случае интерференционная  картина будет чрезвычайно размыта  или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.3(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн (рис.3(б)). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

       

 

 

 
 
 
 

                       а                                                                                                                б 

Рис 3. Взаимодействие волн

а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные  волны (сложение амплитуд волн)

 

      Когерентность волн, и источников этих волн можно  определить математически. Пусть Е₁ - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна:

      Е = Е₁ + Е₂

      Так как в явлениях интерференции  и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна:

      I = E².

      Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем:

      I = I₁ + I₂ + I₁₂,

      где I₁ - интенсивность света первого пучка,

            I₂ - интенсивность света второго пучка.

      Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно⁶:

      I₁₂ = 2 (E₁ * E₂).

      Если  взять независимые источники  света, например, две электрические  лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I₁ + I₂, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I ¹ I₁ + I₂. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I₁ и I₂. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

      С понятием когерентности также связано  понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину,  называются пространственно когерентными⁷.

      Другой  замечательной чертой лазеров, тесно  связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

      Лазеры  также способны создавать пучки  света с очень малым углом  расхождения. Как правило, это значение достигает 10^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации  энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения⁸.

      2.3.1. Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность.

        Для некоторых квантовых генераторов  характерна чрезвычайно высокая  степень монохроматичности их  излучения. Любой поток электромагнитных  волн всегда обладает набором  частот. Излучение и поглощение  атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность.

      Нужно отметить, что линии лазерного  излучения имеют сложную структуру  и состоят из большого числа чрезвычайно  узких линий. Применяя соответствующие  оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер⁹.

      Мощность  лазера. Лазеры являются самыми мощными  источниками светового излучения. В узком интервале спектра  кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10^-13 с. у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10³ Вт/см², причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10^-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца  всего лишь 0,2 Вт/см². Если задача заключается в преодолении порога в 10¹⁷ Вт/см², то прибегают к различным методам повышения мощности.

      Повышение мощности излучения. Для повышения  мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

      Метод модулированной добротности. Чтобы  увеличить число атомов, участвующих  почти одновременно в усилении светового  потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.