Квантовая оптика

Слово лазер (LASER) является аббревиатурой слов английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». В «Физическом Энциклопедическом словаре» дается следующее определение лазера: «Лазер (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе».

В лазере, как и в любом другом источнике света, электромагнитные волны испускаются при переходе элементарного излучателя – атома или молекулы – из возбужденного в нормальное, невозбужденное состояние. Известно, что для возбуждения атомов им необходимо сообщить дополнительную энергию. В лампе накаливания, например, это тепловая энергия, которая выделяется при протекании электрического тока по нити накала. В таких источниках света как лампа накаливания, Солнце, светодиод и т.д., электромагнитные волны испускаются атомами и молекулами несогласованно по времени и по всем возможным направлениям. Это происходит потому, что переход электронов в атомах с возбужденных уровней происходит самопроизвольно (спонтанно) и на разные уровни. Вследствие этого излучение отдельных элементарных излучателей различается по частоте, амплитуде, фазе. Такое излучение называется некогерентным.

В лазере на элементарные излучатели, находящиеся в возбужденном состоянии, воздействует электромагнитная волна, частота которой совпадает с частотой колебаний, вызвавших возбуждение атомов. В результате такого воздействия электроны атомов совершают вынужденные (индуцированные) переходы на одни и те же энергетические уровни, испуская фотоны, обладающие такой же энергией и движущиеся в ту же сторону, причем фаза возбуждаемой волны совпадает с фазой волны, воздействовавшей на атомы. Поэтому все элементарные излучатели в лазере генерируют свет согласованно в одном направлении, с одинаковой частотой и фазой. Такое излучение называется когерентным. Высокая степень когерентности определяет характерные свойства лазерного излучения – высокую монохроматичность (узкий интервал частот) и узкую направленность.

В обычных условиях (при тепловом равновесии) на верхних энергетических уровнях находится меньше частиц, чем на нижних. Поэтому при распространении в обычной среде интенсивность светового потока уменьшается из-за преобладающего влияния процессов поглощения. Если же в среде создана инверсная населенность, т. е. состояние, когда число частиц на верхнем, возбужденном энергетическом уровне больше числа частиц на нижнем уровне, то процесс испускания будет преобладать над процессом поглощения электромагнитная волна, распространяющаяся в среде, будет не ослабляться, а усиливаться. Среда, а которой создана инверсная населенность, называется активной. Для создания инверсной населенности необходима дополнительная энергия. Эта энергия сообщается среде от специального источника – т. н. системы накачки. Под воздействием накачки в активной среде создается избыточная населенность некоторых уровней. Таким образом, в лазере энергия накачки преобразуется в энергию когерентного оптического излучения.

Схема оптического резонатора с активной средой и системой накачки представлена на рис. 1.

Спонтанно испущенная каким-либо электромагнитным излучателем электромагнитная волна, многократно отражаясь зеркалами (1.3) резонатора, усиливается в активной среде (2). Инверсия населенностей создается в активной среде с помощью системы накачки (4). Небольшая часть излучения (несколько процентов) выходит наружу через полупрозрачное зеркало (3). Очевидно, что эффективно могут усиливаться волны, распространяющиеся параллельно или почти параллельно оси резонатора. Остальные же после одного или нескольких проходов покидают резонатор. Поэтому лазер генерирует узконаправленный пучок с расходимостью близкой к дифракционной , где - угол расходимости, - длина световой волны, D – диаметр выходного пучка.

По типу активной среды лазеры, в основном, делятся на твердотельные, газовые и полупроводниковые. В качестве средств возбуждения для инверсии населенности (накачки) используют свет, электрический разряд, химические реакции и др.

Когерентное излучение лазера находит широкое применение в различных областях науки и техники. В частности, благодаря уникальным свойствам лазерного излучения (небольшая длина когерентности, монохроматичность, малая расходимость) стало возможным или более удобным и наглядным наблюдение различных явлений волновой оптики.

Широкое распространение получили газовые гелий-неоновые лазеры (длина волны = 0,63 мкм), в которых накачка осуществляется с помощью электрического разряда. Принципиальная схема гелий-неонового лазера изображена на рис. 2.

Здесь 1 – газоразрядная стеклянная трубка, диаметром несколько миллиметров и длиной от нескольких десятков сантиметров до 1,5 м и более. Торцы трубки замкнуты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, ориентированными под углом Брюстера к оси трубки. Для излучения, распространяющегося вдоль оси трубки и поляризованного в плоскости падения света на пластинки, коэффициент отражения от них равен нулю.

Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., давление неона – 0,1 мм рт. ст. Трубка имеет катод 2, накаливаемый низковольтным источником питания, и цилиндрический пустотелый анод 3. Между катодом и анодом на трубку накладывается напряжение 1 – 2,5 кВ. Разрядный ток в ней равен нескольким десяткам миллиампер. Разрядная трубка гелий-неонового лазера помещается между зеркалами 4, 5. Зеркала, обычно сферические, делаются с многослойными диэлектрическими покрытиями, имеющими высокие значения коэффициента отражения и почти не обладающими поглощением света. Пропускание одного зеркала составляет обычно около 2%, а другого – менее 1%.

Высокая степень оптической однородности активной среды гелий-неонового лазера позволяет сравнительно легко приблизиться к минимальной расходимости коллимированного излучения и максимальной пространственной когерентности.

В настоящем цикле лабораторных работ в качестве источников излучения используются инжекционные лазеры – проводниковые двухэлектродные приборы с p-n переходом, обеспечивающим когерентное излучение света, связанное с инжекцией (увеличение концентрации неосновных носителей по сравнению с равновесной введением неосновных носителей может осуществляться светом, тепловым импульсом, полем) носителей заряда в p-n переходе. Когерентность излучения обусловлена равенством начальных фаз колебаний всех фотонов, индуцированных рекомбинацией неравновесных носителей при их инжекции в p-n переходе. Поэтому когерентное излучение, создаваемое лазерами, имеет узкую спектральную область, близкую к минимальной. Инжекционный лазер имеет активную среду, в качестве которой служат прямозонные вырожденные полупроводники типа А³ В⁵ и их твердые растворы, способные пропускать световое излучение. Согласно квантовой теории, электроны в таких полупроводниках могут занимать две широкие энергетические области, нижняя из которых представляет валентную зону, а верхняя зону проводимости (рис.3.)

Прямое включение p-n перехода вызывает инжекцию электронов. Уникальным явлением при этом оказывается свойство высокоинжектированных электронов оставаться (накапливаться) некоторое время на своих энергоуровнях, если для этого создать надлежащие условия. Такие энергоуровни называются метастабильными, а само явление носит название инверсии населенностей энергетических уровней в полупроводнике, связанной с инжекцией заряда в p-n переходе. Полупроводник, его атомы, оказывается в возбужденном состоянии.

Область, где происходит излучательная рекомбинация, ограничивается конструктивными размерами резонатора и технологическими возможностями его реализации (S » 0.5…2 мкм, l » 300…500 мкм). Устройство показано на рис.4.

В качестве активного вещества используется арсенид галлия. Две параллельные грани кристалла, перпендикулярные плоскости p-n перехода, тщательно полируются. Они образуют зеркала резонатора. Две другие скошены по отношению к плоскости p-n перехода, в этом направлении условия самовозбуждения стимулированного когерентного излучения не выполняются.

Стимулированное излучение и резкий рост выходной оптической мощности соответствует инжекционному току p-n перехода , где = 50 – 150 мА. Если ток инжекции лазера меньше , то наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном диоде.

Пространственное излучение лазера имеет форму, близкую к игле. Угол расхождения луча стимулированного когерентного излучения составляет не более нескольких угловых минут и зависит от параллельности зеркал резонатора.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Энергия и длина волны определяется свойствами вещества и геометрией резонатора.

Благодаря высокой степени когерентности лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования интерференционных и дифракционных явлений, наблюдение которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры. Многочисленные варианты нашли весьма разнообразные применения в биологических исследованиях, в системах лазерной связи, в голографии, машиностроении и многих других областях естествознания и техники.