Курс физики для вузов - часть 109

Рис.312

случае в основное), отдавая избыточ-
ную энергию в виде электромагнитно-
го излучения (испуская фотон с энер-
гией hv =

 -

 Процесс испуска-

ния фотона возбужденным атомом
(возбужденной микросистемой) без
каких-либо внешних воздействий назы-
вается спонтанным (или самопроиз-
вольным) излучением (рис. 312, б).
Чем больше вероятность спонтанных
переходов, тем меньше среднее время
жизни атома в возбужденном состоя-
нии. Так как спонтанные переходы вза-
имно не связаны, то спонтанное излу-

чение некогерентно.

В 1916 г. А.Эйнштейн для объясне-

ния наблюдавшегося на опыте термоди-
намического равновесия между веще-
ством и испускаемым и поглощаемым
им излучением постулировал, что по-
мимо поглощения и спонтанного излу-

чения должен существовать третий, ка-
чественно иной тип взаимодействия.

Если на атом, находящийся в воз-

бужденном состоянии 2, действует
внешнее излучение с частотой, удовлет-
воряющей условию hv =

 -

 то воз-

никает вынужденный {индуцирован-
ный) переход в основное состояние 1

с излучением фотона той же энергии

hv =

 —

 (рис. 312, в). При подоб-

ном переходе происходит излучение
атомом фотона дополнительно  тому
фотону, под действием которого про-
изошел переход. Возникающее в ре-

зультате таких переходов излучение на-
зывается вынужденным (индуциро-

ванным) излучением. Таким образом,
в процесс вынужденного излучения
вовлечены два фотона: первичный фо-
тон, вызывающий испускание излуче-
ния возбужденным атомом, и вторич-
ный фотон, испущенный атомом. Суще-
ственно, что вторичные фотоны нео-
тличимы от

 являясь точной

их копией.

В статистической физике известен

принцип детального

 со-

гласно которому при термодинамичес-
ком равновесии каждому процессу
можно сопоставить обратный процесс,
причем скорости их протекания одина-
ковы. А. Эйнштейн применил этот прин-
цип и закон сохранения энергии при
рассмотрении излучения и поглощения
электромагнитных волн в случае чер-
ного тела. Из условия, что при равно-
весии полная вероятность испускания

(спонтанного и вынужденного) фото-

нов равна вероятности поглощения
фотонов той же частоты, Эйнштейн
получил выведенную ранее Планком
формулу (200.3).

Эйнштейн и Дирак показали, что

вынужденное излучение (вторичные
фотоны) тождественно вынуждающе-
му излучению (первичным фотонам):
оно имеет такие же частоту, фазу, по-

ляризацию и направление распростра-

нения, как и вынуждающее излучение.

Следовательно, вынужденное излуче-

ние строго когерентно с вынуждающим
излучением, т.е. испущенный фотон
неотличим от фотона, падающего на
атом.

Испущенные фотоны, двигаясь в

одном направлении и встречая другие
возбужденные атомы, стимулируют
дальнейшие индуцированные перехо-
ды, и число фотонов растет лавинооб-
разно. Однако наряду с вынужденным
излучением возможен и конкурирую-
щий процесс — поглощение. Поэтому

435

для усиления падающего излучения
необходимо, чтобы число актов вынуж-
денного излучения фотонов (оно про-
порционально заселенности возбуж-
денных состояний) превышало число
актов поглощения фотонов (оно про-
порционально

 основных

В системе атомов, находящейся в

термодинамическом равновесии, по-
глощение падающего излучения будет
преобладать над вынужденным, т. е. па-
дающее излучение при прохождении
через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее

нее излучение, необходимо создать не-

равновесное состояние системы, при

котором число атомов в возбужденных
состояниях было бы больше, чем их
число в основном состоянии. Такие со-
стояния называются состояниями с

 Процесс со-

здания неравновесного состояния ве-
щества (перевод системы в состояние с
инверсией населенностей) называется
накачкой. Накачку можно осуществить
оптическими, электрическими и други-

ми способами.

В средах с инверсными состояния-

ми вынужденное излучение может пре-
высить поглощение, вследствие чего
падающий пучок света при прохожде-

нии через эти среды будет усиливаться
(эти среды называются активными).
В данном случае явление протекает так,
как если бы в законе Бугера
[см. (187.1)] коэффициент поглоще-
ния а, зависящий, в свою очередь, от
интенсивности излучения, стал отрица-
тельным. Активные среды поэтому
можно рассматривать в качестве сред с
отрицательным коэффициентом погло-
щения.

Впервые па возможность получения

сред, в которых свет может усиливаться
за счет вынужденного излучения, указал

в 1939 г. российский физик В. А.Фабри-
кант, экспериментально обнаружив вы-
нужденное излучение паров ртути, воз-
бужденных при электрическом разря-

де. Открытие явления усиления элек-
тромагнитных волн и изобретенный
способ их усиления (В.А.Фабрикант,

 Ф.А.Бугаева; 1951)

легли в основу квантовой электроники,
положения которой позволили впос-
ледствии осуществить квантовые уси-
лители и квантовые генераторы света.

§ 233. Оптические квантовые

генераторы (лазеры)

Практически инверсное состояние

среды осуществлено в принципиально

 источниках излучения — оптиче-

ских квантовых генераторах, или ла-

зерах (от первых букв английского на-

звания Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation — усиление света

с помощью вынужденного излучения).

Лазеры генерируют в видимой, инфра-

красной и ближней ультрафиолетовой
областях (в оптическом диапазоне).

Идея качественно нового принципа

усиления и генерации электромагнит-
ных волн, примененная  мазерах (гене-
раторы и усилители, работающие в сан-
тиметровом диапазоне радиоволн) и ла-
зерах, принадлежит российским ученым

Н.Г.Басову (1922-2001) и А.М.Про-
хорову (1916 — 2002) и американскому
физику Ч.Таунсу (р. 1915), удостоен-
ным Нобелевской премии 1964 г.

Важнейшими из существующих ти-

пов лазеров являются твердотельные,
газовые, полупроводниковые

 жид-

костные (в основу такого деления по-

ложен тип

 среды). Более точ-

ная классификация учитывает также и
методы накачки — оптические, тепло-
вые, химические,

436

ныс и др. Кроме того, необходимо при-
нимать во внимание и режим генера-
ции — непрерывный или импульсный.

Лазер обязательно имеет три основ-

ных компонента: 1) активную среду, в
которой создаются состояния с инвер-
сией

 2) систему накач-

 (устройство для создания инверсии

в активной среде); 3) оптический резо-
натор (устройство, выделяющее в про-
странство избирательное направление
пучка фотонов и формирующее выхо-
дящий световой пучок).

Первым твердотельным лазером

(1960; США),

 в видимой

области спектра (длина волны излучения
0,6943 мкм), был рубиновый лазер

[Т.

 (р. 1927)]. В нем инверсная

населенность уровней осуществляется по

трехуровневой схеме, предложенной в

1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым.

Кристалл рубина представляет со-

бой оксид алюминия

 в кристал-

лической решетке которого некоторые
из атомов А1 замещены трехвалентны-
ми ионами

 (0,03 и 0,05 % ионов

хрома соответственно для розового и
красного рубина). Для оптической на-

качки используется импульсная газо-

разрядная лампа. При интенсивном об-
лучении рубина светом мощной им-
пульсной лампы атомы хрома перехо-
дят с нижнего уровня 1 на уровни ши-
рокой полосы 3 (рис. 313).

Так как время жизни атомов хрома

в возбужденных состояниях мало
(меньше

 с), то осуществляются

либо спонтанные

 3

 1 (они

незначительны), либо наиболее вероят-
ные безызлучательные переходы на

уровень 2

 называется метастабиль-

ным) с передачей избытка энергии ре-
шетке кристалла рубина. Переход 2

 1

запрещен правилами отбора, поэтому
длительность возбужденного состоя-
ния 2 атомов хрома порядка

 с, т.е.

Рис.313

примерно на четыре порядка больше,
чем для состояния 3. Это приводит к

«накоплению» атомов хрома на уров-

не 2. При достаточной мощности накач-
ки их концеитрация на уровне 2 будет
гораздо больше, чем на уровне 1, т.е.
возникает среда с инверсной населенно-
стью уровня 2.

Каждый фотон, случайно родивший-

ся при спонтанных переходах, в прин-
ципе может инициировать (порождать)
в активной среде множество вынужден-
ных переходов 2

 1, в результате чего

появляется лавина вторичных фотонов,

являющихся копиями первичных. Та-

ким образом и зарождается лазерная
генерация. Однако спонтанные перехо-

ды носят случайный характер, и спон-
танно рождающиеся фотоны испускают-
ся в разных направлениях. Тем самым

в самых разных направлениях распро-
страняются и лавины вторичных фото-
нов. Следовательно, излучение, состо-

ящее из подобных лавин, не может об-
ладать высокими когерентными свой-
ствами.

Для выделения направления лазер-

ной генерации используется принципи-
ально важный элемент лазера — опти-
ческий резонатор. В простейшем слу-

чае им служит пара обращенных друг к
другу параллельных зеркал на общей
оптической оси, между которыми поме-

щается активная среда (кристалл или
кювета с газом). Как правило,

437

изготовляются так,
излучение полностью отражается, а вто-
рое — полупрозрачно.

Фотоны, движущиеся под углами к

оси кристалла или кюветы, выходят из
активной среды через ее боковую по-
верхность. Те же из фотонов, которые
движутся вдоль оси, многократно отра-
зятся от противоположных

каждый раз вызывая вынужденное ис-
пускание вторичных фотонов, которые,
в свою очередь, вызовут вынужденное
излучение, и т.д. Так как фотоны, воз-
никшие при вынужденном излучении,
движутся в том же направлении, что и
первичные, то поток фотонов, парал-

лельный оси кристалла или кюветы,

будет лавинообразно нарастать.

Многократно усиленный поток фо-

тонов выходит через полупрозрачное
зеркало, создавая строго направленный

световой пучок огромной яркости. Та-
ким образом, оптический резонатор

«выясняет» направление (вдоль оси)

усиливаемого фотонного потока, фор-
мируя тем самым лазерное излучение с
высокими когерентными свойствами.

Первым газовым лазером непрерыв-

ного действия

 был лазер на сме-

си атомов неона и гелия. Газы облада-
ют узкими линиями поглощения, а лам-
пы излучают свет в широком интерва-
ле длин волн, поэтому применять

 в

качестве накачки невыгодно, так как ис-
пользуется только часть мощности лам-
пы. Поэтому в газовых лазерах инверс-

 населенность

 осуществля-

ется электрическим разрядом, возбуж-
даемым в газах.

В гелий-неоновом лазере накачка

происходит в два этапа: гелий служит
носителем энергии возбуждения, а неон
дает лазерное излучение. Электроны,
образующиеся в разряде, при столкно-
вениях возбуждают атомы гелия, кото-
рые переходят в возбужденное состоя-
ние 3

 314). При столкновениях

возбужденных атомов гелия с атомами
неона происходит их возбуждение и они
переходят на один из верхних уровней
неона, который расположен вблизи со-
ответствующего уровня гелия. Переход
атома неона с верхнего уровня 3 на один
из нижних уровней 2 приводит к лазер-
ному излучению с X  0,6328 мкм.

Лазерное излучение обладает следу-

ющими свойствами:

1. Временная и пространственная

когерентность (см. §

 Время коге-

рентности составляет

 с, что соот-

ветствует длине когерентности поряд-
ка 10

5

 м

 т. е. на семь поряд-

ков выше, чем для обычных источни-
ков света.

2. Строгая монохроматичность

(АХ <

 м).

3. Большая плотность потока энер-

гии. Если, например, рубиновый стер-
жень при накачке получил энергию

 20 Дж и высветился за

 с, то

20

поток излучения

 = ——

 =

= 2 •

 Вт. Фокусируя это излучение

на площади 1 мм

2

, получим плотность

 1

потока энергии

 — '

 Вт/м

2

 =

=

 10

10

 Вт/м

2

.

4. Очень малое угловое расхождение

в пучке. Например, при использовании
специальной фокусировки луч лазера,

 с Земли, дал бы на по-

верхности Луны световое пятно диа-
метром примерно 3 км (луч прожекто-

438