Квантовые источники света- Лазеры

 

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, по важно mot 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».

 

Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называе­мого индуцированного (вынужденного) излучения света ато­мами. Под индуцированным излучением понимается излуче­ние возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вынужденное излучение озна­чает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее с излучением фотона, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

 

Лазеры

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излуче­ния для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них аме­риканский физик Ч. Таунс использовали явление индуциро­ванного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны X = 1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс в 1964 г. были удостоены Нобелев­ской премии.

В 1960 г. Т. Г. Мейманом в США был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в види­мом диапазоне спектра.

​

Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света.

1.    Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10“5 рад). На Луне такой пучок, ис­пущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2.    Свет лазера обладает исключительной монохроматично­стью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излу­чают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. В отличие от обычных источников света, два лазера дают когерентные волны, которые могут ин­терферировать друг с другом.

3.Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение проме­жутка времени продолжительностью порядка 1(Г9 с) у некото­рых типов лазеров достигается интенсивность излучения 1014 Вт/см2, в то время как интенсивность излучения Солнца равна только 7 • 10 Вт/см , причем суммарно по всему спект­ру.

На узкий же интервал А X = 10_6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

 

Принцип действия лазеров

В обычных условиях большинство атомов находится в низ­шем энергетическом состоянии. Поэтому при низких темпера­турах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещест­во ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии вол­ны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в высшее энер­гетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

​

 

равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 6.25, а схематически представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 6.25, б изображен возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столк­новении или испустить фотон в любом направлении.

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

​

 

эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 6.26, а показаны возбужденный атом и волна, а на рисунке 6.26, б схематически показано, что атом перешел в основное состояние, а волна усилилась.

​

 

 

 

 

 

 

 

 

Трехуровневая система

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов.

В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбужда­ются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет од­новременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико; но речь идет о «работающих» уровнях). На рисунке 6.27 изображены три энергетических уровня.

Существенно, что в отсутствие внеш­него воздействия время, в течение которого система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково.

На уровне 3 система живет очень мало, порядка с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристалличе­ской решетке.) «Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной вол­ны сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3  и спустя промежуток времени с оказывается в состоя­нии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1. Необходимые энерге­тические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин — это красный кристалл оксида алюминия А1203 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.

 

Устройство рубинового лазера

​

Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопа­раллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали  рисунок  6.28, дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в не­сколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы.

Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «пе­ренаселенным» .

В результате самопроизвольных переходов 2 —> i начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, ко­торые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, иду­щая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его тор­цов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается. На рисунке 6.29 показано развитие лавины фотонов вдоль оси рубинового стержня.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми феноменальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согла­сованно, и очень мощной, так как при индуцированном излуче­нии вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.

 

Другие типы лазеров

Рубиновый лазер, с которым мы познакомились, работает в импульсном режиме. Существуют также лазеры непрерывного действия.

В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непре­рывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах «перена­селенность» верхних энергетических уровней создается при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газо­вых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин.

Существующие лазеры охватывают широкий диапазон длин волн от инфракрасных (X * 10 мкм) до ультрафиолетовых (к « 0,2 мкм). Ведутся работы по созданию лазеров в рентгенов­ском диапазоне длин волн. В принципе возможно создание гамма-лазеров.

 

Применение лазеров

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.

Огромная мощность лазерного луча используется для испа­рения материалов в вакууме, для сварки и т. д. Лазерным лу­чом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в ра­диоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. С помощью луча лазера можно про­изводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку. Лазеры позволяют по­лучать объемные изображения предметов, используя коге­рентность лазерного луча (голография).

Лазеры позволили осуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна для ра­диолокаторов.

Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

Перспективно использование лазерных лучей для осу­ществления управляемой термоядерной реакции.

В настоящее время лазеры получили столь разнообразные и многочисленные применения, что и перечислить их здесь не представляется возможным.

 

Нелинейная оптика

Получение с помощью лазеров электромагнитных волн большой интенсивности привело к появлению и быстрому раз­витию нового раздела физики — нелинейной оптики.Термин принадлежит С. И. Вавилову, который впервые в начале 20-х гг. XX в. пришел к выводу о возможности существова­ния нового класса оптических явлений.

В обычной оптике, которую можно назвать линейной, вы­полняется принцип суперпозиции. Ни в вакууме, ни в среде электромагнитные волны никак не взаимодействуют друг с другом. Кроме того, частота световой волны не меняется при прохождении через любое вещество. Это было эксперимен­тально установлено еще Ньютоном.

Все нелинейные оптические явления наблюдаются при рас­пространении света в веществе. Суть их состоит в том, что ха­рактер распространения света зависит от его интенсивности. Принцип независимости световых пучков перестает выпол­няться. Начинает это обнаруживаться тогда, когда напряжен­ность электрического поля в волне сравнивается с напряжен­ностью поля ядра внутри атома (порядка 1011 В/м). Такую на­пряженность поля можно получить только с помощью лазеров. Обычные источники света дают поля с напряженно­стью не более 105 В/м.

Интенсивная лазерная волна меняет свойства среды, в которой она распространяется. В результате и возникают разнообразные нелинейные эффекты.

К их числу относится эффект удвоения частоты. При про­хождении мощного лазерного луча красного цвета через крис­талл (например, ниобата бария) он превращается в зеленый (генерация второй гармоники). Если на кристалл направить два лазерных луча с частотами со1 и (02, то возникают новые волны с частотами 2со1, 2со2, со1 + со2 и со1 - со2. Эти нелинейные эффекты до некоторой степени напоминают нелинейные про­цессы, происходящие при модуляции электромагнитных коле­баний. Рассматривать сложную теорию этого и других нели­нейных оптических явлений мы не будем.

С помощью нелинейных оптических эффектов удалось создать приборы для генерирования когерентного оптического излуче­ния, плавно перестраиваемого по частоте в широком интервале длин волн. Впервые такой прибор был предложен в 1962 г. со­ветскими физиками Р. В. Хохловым и С. А. Ахмановым.

Еще одно нелинейное оптическое явление — это самофоку­сировка лазерного луча в прозрачной среде. Самофокусировка была теоретически предсказана советским физиком Г. А. Ас- карьяном в 1962 г. и открыта экспериментально в 1965 г. Суть дела в следующем. Обычный пучок света по мере распростра­нения в среде расширяется, и интенсивность его падает. Если же мощность пучка достигает значения в несколько киловатт (или даже нескольких ватт для неко­торых кристаллов), то пучок, напро­тив, стягивается в тонкую нить или даже «схлопывается». Причина этого в том, что показатель преломления среды начинает зависеть от интенсив­ности света, когда она превысит опре­деленный предел. Обычно в пучке ин­тенсивность максимальна на оси пучка. Если показатель пре­ломления среды увеличивается с интенсивностью, то это приводит к искривлению световых лучей в направлении участ­ков с большим показателем преломления (подобное явление наблюдается при мираже). В результате и происходит самофо­кусировка (рис. 6.30).

Существует целый ряд других нелинейных эффектов. В ча­стности,

прозрачность среды при больших интенсивностях света начинает зависеть от

интенсивности.

У одних сред проз­рачность уменьшается с ростом интенсивности, а у других,

на­оборот,  увеличивается.

Любопытно, что с помощью мощных лазерных пучков электрону в металле может быть передана энергия не одним фотоном, а двумя или несколькими. При этом явление фотоэф­фекта теряет свой простой квантовый характер. Вместо известного уравнения Эйнштейна для фотоэффекта 

                                                      

справедливо другое уравнение:

 

 

где N — число фотонов, поглощаемых электроном одновременно.

Большой вклад в развитие нелинейной оптики внес академик Р. В. Хохлов (1926—1977). Им была создана в Московском госу­дарственном университете лаборатория нелинейной оптики, ставшая одним из ведущих мировых научных центров.​

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Какое излучение называется вынужденным?

2. Почему при прохождении света сквозь вещество наблюдается, как правило, ослабление света?

3.Как можно в веществе создать "перенаселенность" возбужденных энергетических уровней?

4.Каково устройство лазера и принцип его действия?

5.Каковы свойства лазерного излучения и как их можно обьяснить?

6. Приведите примеры применения лазерного излучения.

​