по дисциплине: Физика на тему: «лазеры» (стр. 1 из 3)

На вопрос о том, что такое лазер, академик Н. Г. Басов отвечал так: «Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, индукции магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Возникновение лазеров

В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счёт открытого Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году Басовым[1] и Прохоровым[2] и независимо от них Таунсом[3] были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. В 1964 г. Басову, Прохорову и Таунсу была за эти работы присуждена Нобелевская премия. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

В 1960 г. Мейманом[4] был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

Закон Больцмана

Воздействующий на вещество свет частоты w, совпадающей с одной из частот (Еn — Ет )/h атомов вещества (Еn>Ет), может вызывать два процесса: I) вынужденный переход т® n и 2) вынужденный переход n® т. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана

(1.1)

где N — полное число, атомов, N_i — число атомов, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией E_i (для простоты предположили, что все энергетические уровни не являются вырожденными). Из этой формулы следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить населенность энергетических уровней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой

(1.2)

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. В случае усиления падающего пучка явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения a в формуле (1.2) стал отрицательным. Соответственно совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения.

Удивительный источник света

Попробуем понять, как работает этот удивительный источник света. Остановимся вначале на процессах излучения и поглощения света атомами вещества. Атомы поглощают световую энергию только определенными порциями — квантами. Когда атом поглощает световой квант — фотон, его внутренняя энергия увеличивается. Принято говорить, что при этом атом переходит на более высокий энергетический уровень. Этот новый уровень лежит выше «старого» на величину энергии поглощенного кванта. Обычно атом стремится перейти в состояние с наименьшей возможной для него энергией. Такое состояние называют основным.

Допустим, что атом получил избыток энергии. Атом, у которого запас энергии больше, чем в основном состоянии, называют возбужденным. Обычно он очень быстро — за одну десятимиллионную долю секунды — избавляется от лишней энергии и переходит в основное состояние. При этом атом испускает фотон, энергия которого hv (рис.1). В большинстве случаев излишнюю энергию атом отдает без всякого воздействия. Такое излучение называют самопроизвольным или спонтанным. Однако процесс перехода атома с высокого энергетического уровня на более низкий может происходить и под действием другого кванта. Пролетая мимо возбужденного атома, фотон может увлечь за собой фотон такой же энергии, как и его собственная, если энергия возбуждения атома равна энергии пролетающего фотона. Замечательно, что электромагнитные колебания похищенного фотона будут в той же фазе, что и у фотона-«похитителя». Таким образом, проходящий световой поток стремится перевести атомы на более низкие уровни.

Рис. 1

Еще до изобретения лазера физики наблюдали замечательное явление — так называемое отрицательное поглощение света. Пучок света, проходя через любое вещество, ослаблялся: часть фотонов пучка отражается поверхностью, а некоторое количество фотонов поглощается веществом и переходит в тепло. Но вот удалось осуществить, казалось бы, невозможное. Проходя через некоторые кристаллы, световой луч не ослаблялся, а усиливался! Откуда появилась дополнительная энергия? Оказывается, до того момента, когда через кристалл прошел луч, кристалл был подсвечен мощным источником света. Благодаря этому большая часть атомов кристалла перешла в возбужденное состояние. Из возбужденного состояния эти атомы могут перейти на более низкий энергетический уровень, испустив при этом фотон с энергией hv. Поглотить же фотон с такой энергией они не могут — они уже насытились энергией. Зато фотоны падающего пучка с энергией /iv увлекают за собой новые фотоны той же энергии, вынуждая атомы кристалла переходить в низшее состояние. В падающем пучке появляется дополнительная энергия. Такой кристалл с дополнительной подсветкой — первый шаг к лазеру.

Первые лазеры и их устройство

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8 % упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al₂O₃), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома Cr³⁺ (в таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10^-3 с) примерно в 10⁵ раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное[5], излучая фотон с l=694,3 нм. Под действием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучении, переход ионом хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

Рис. 2. Схема лазера на рубине