Особенности лазерного излучения

Теперь рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер
представляет собой источник монохроматического когерентного света с
высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при
точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или
молекулы).

В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового
фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и
поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием
данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных
фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными
атомами происходит также процесс самопроизвольного, спонтанного
испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г.

Если число возбуждённых атомов велико и существует инверсная
населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно)
большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое
число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем
направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей
лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем
получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так
как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным
фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было
использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с
высокой монохроматичностью, необходимо "снимать" инверсную
населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и
той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме.
В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного
луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно
родившиеся фотоны, направление распространения которых не
перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением "вбок" можно будет полностью
пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На
практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной
связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора
используют в большинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Е. Басовым и А. М.
Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип
создания первого в мире генератора квантов электромагнитного
излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи
приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т.
Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического
диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью
описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность
возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой
лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл
оксида алюминия Al2O3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При
добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают
розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней
ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина
поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света
ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В
результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в
основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих
уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими
интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую
параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома
в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса=0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или
быстродействующего электрического затвора можно "включить" обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности "снимется" вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается
гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме "свободной генерации", но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию
конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность
излучения этой лавины будет возрастать прежде всего в центре
спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого
процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного
излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях
удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного
излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить
расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в
принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд
экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой.
Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра,
соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность
лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча,
можно с помощью формулы Планка вычислить температуру
воображаемого черного тела, использованного в качестве источника
светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча – его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной
населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка,
возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей
средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный).
Эти различия определяются многообразием требований к
характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения
поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной
последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных
импульсов может быть очень высокой - до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными импульсами) могут излучать "гигантские импульсы" (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кет), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10- 12 с, интенсивность в максимуме до 109 кет). В качестве активных элементов
лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые

материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовые
активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:

а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных
неодимом);

б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на
углекислом газе);

в) жидкостные (на растворах органических красителей);

г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих
друг с другом примесных полупроводниках разного типа);

д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические
реакции с выделением энергии);

е) газодинамические (на реактивной струе газа).