 |
ФИЗИКА
|
 |
| |
|||||
|
| |||||
| |
ФИЗИКА
|
|
| |
|||||
|
| |||||
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
31. Основы физики лазеров
Лазер (оптический квантовый генератор) - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.
Термин "лазер" происходит от первых букв английского названия этого устройства: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion - усиление света за счет вынужденного испускания излучения.
31.1. Краткие исторические сведения
Первые квантовые генераторы были созданы в 1953 г. советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским ученым Таунсом. Всем троим в 1964 г. за эти работы присуждена Нобелевская премия по физике. Квантовые генераторы, созданные Басовым, Прохоровым и Таунсом, работали в микроволновом диапазоне и их английское название "мазер" образовано по тому же принципу, что и термин "лазер", только вместо слова "Light" (свет) используется слово "Microwave" (микроволновое излучение). Первый квантовый генератор, работающий в оптическом диапазоне - рубиновый лазер - был создан в 1960 г. Т. Мейманом (США).
31.2. Основные компоненты лазера и главные процессы, приводящие к генерации лазерного излучения
Лазер содержит три основных компонента:
1) активная среда, в которой создают инверсию населенности (см. 32.4).
2) система накачки - устройство для создания инверсии населенности
(см. 32.6).3) устройство положительной обратной связи - оптический резонатор
(см. 32.5).Главными процессами, приводящими к лазерному излучению являются:
1) вынужденное излучение (см. 32.3);
2) положительная обратная связь (см. 32.5).
31.3. Вынужденное (стимулированное) излучение
В соответствии со вторым постулатом Бора (26.1.6) излучение испускается или поглощается в виде квантов энергии при переходе электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. При этом:
Если
- атом поглощает фотон ηω, при
- атом излучает фотон.
А. Эйнштейн в 1916 г. показал, что этих двух процессов недостаточно для установления состояния равновесия между излучением и веществом (см. 26.2.1). Он высказал идею о существовании вынужденного излучения.
Вынужденное излучение возникает, если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, например, с энергией E2, воздействует фотон с частотой, удовлетворяющей условию:
(E1 - энергия основного состояния). В этом случае с определенной вероятностью атом переходит из состояния E2 в основное состояние E1 и излучает еще один фотон с энергией
Фотон вынужденного излучения по своим характеристикам тождественен фотону, вызывающему вынужденное излучение: он имеет ту же самую частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. На волновом языке можно сказать, что вынужденное излучение приводит к увеличению амплитуды электромагнитной волны без изменения ее частоты, фазы, поляризации и направления распространения. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
31.4. Состояние с инверсией населенности
Пусть для простоты рассуждений, атомы среды могут находиться только в двух энергетических состояниях: E1 и E2. Числа атомов N1 и N2, находящихся в этих состояниях, в условиях термодинамического равновесия, определяются распределением Больцмана (23.4.7). Их отношение
Как отмечено выше (32.2), вероятность единичного акта вынужденного испускания фотона равна вероятности поглощения такого же фотона. Поэтому, при одинаковой интенсивности излучения, полная вероятность поглощения будет пропорциональна N1, а полная вероятность вынужденного испускания - пропорциональна N2. В равновесных условиях N1>N2 и поэтому процесс поглощения будет преобладать над процессом вынужденного испускания: вещество будет поглощать электромагнитные волны.
Если создать каким-либо образом в активной среде неравновесное состояние с N1<N2 - состояние с инверсией населенности - то процесс вынужденного испускания будет преобладать над процессом поглощения.
Схематически этот процесс изображен на следующем рисунке.
Появившийся за счет спонтанного излучения фотон с энергией
31.5. Оптический резонатор
Для превращения сверхлюминисценции в генерацию лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу (см. рис.).
Между этими зеркалами расположена активная среда, находящаяся в состоянии с инверсией населенности.
Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают лишь короткие вспышки сверхлюминисценции. Фотоны, испущенные вдоль оси резонатора, многократно проходят через активную среду за счет отражений от зеркал. При этом они вызывают вынужденное излучение, которое увеличивает интенсивность световой волны. В наиболее благоприятных условиях находятся те фотоны, для которых выполняются условия возникновения стоячих волн.
Стоячие электромагнитные волны в оптическом резонаторе возникают при выполнении условия, аналогичного условию возникновения стоячих волн в струне, закрепенной с двух концов (см. 15.5.3), т.е.:
здесь l - расстояние между зеркалами;
n - целое число;
λn - резонансная длина волны.
В оптическом резонаторе l >>λ, поэтому целое число n принимает большие значения. При этом в пределах естественной ширины спектральной линии оказываются несколько резонансных длин волн - несколько мод оптического резонатора. Эту ситуацию иллюстрирует следующий рисунок, где изображена зависимость интенсивности излучения I от частоты ω для активной среды, находящейся в оптическом резонаторе.
Существуют способы выделения одной из мод и подавления остальных. Такой одномодовый режим генерации позволяет достичь наивысшей когерентности излучения.
Таким образом, оптический резонатор формирует лазерное излучение, направленное строго по оси резонатора и обладающее высокой степенью когерентности.
Для того, чтобы выпустить лазерное излучение из резонатора, одно из зеркал делают полупрозрачным.
31.6. Способы создания инверсии населенности
Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. В зависимости от структуры активной среды используются различные виды накачки.
31.6.1. Трехуровневая система
В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности активной среды необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов или молекул активной среды. Такая схема накачки была реализована в первом твердотельном лазере, созданном в 1960 г. Т. Мейманом (США). Активной средой в этом лазере являлся кристалл рубина, отполированные торцы которого служили зеркалами оптического резонатора. Один торец покрывался непрозрачным слоем серебра, слой серебра на другом торце пропускал 8% упавшей на него энергии.
Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3), в которой (0,03÷0,05)% атомов алюминия заменены трехвалентными ионами хрома Cr3+.
На следующем рисунке изображена энергетическая схема иона хрома, который и является основным элементом активной среды.
Перевод электронов с уровня E1 на уровни широкой полосы E3 (накачка) осуществляется за счет интенсивного облучения рубина некогерентным светом мощной импульсной лампы. В возбужденном состоянии E3 ионы хрома проводят около 10-7 с, а затем отдают часть энергии колебаниям решетки и электроны ионов хрома без излучения света переходят на уровень E2.
Этот уровень метастабильный, так как время жизни иона хрома в состоянии E2 порядка 10-3 с, что на четыре порядка больше времени жизни в состоянии E3. Большое время жизни электрона на уровне E2 позволяет перевести достаточное число ионов хрома в это состояние. Для создания инверсии населенности необходимо, чтобы число ионов хрома в состоянии E2 было больше, чем в основном состоянии E1, т.е. требуется возбудить больше половины ионов хрома.
31.6.2. Четырехуровневая система
На следующем рисунке изображена четырехуровневая система.
Ее преимущество перед трехуровневой системой состоит в том, что E3 - нижний рабочий уровень лазерного перехода расположен выше основного уровня E1. По этой причине в условиях термодинамического равновесия он может быть заселен, в соответствии с распределением Больцмана (23.4.7), значительно слабее, чем уровень E1. Здесь состояние с инверсией заселенности достигается, когда населенность метастабильного уровня E2 больше населенности нижнего рабочего уровня E3.
Таким образом, на основном уровне может оставаться больше половины атомов.
Наиболее эффективным четырехуровневым ионом является трехвалентный ион неодима Nd3+, вводимый в состав специальных сортов стекла.
31.6.3. Другие виды накачки
Оптическую накачку применяют, главным образом, в твердотельных лазерах и лазерах на стеклах, активированных неодимом.
В газовых лазерах более эффективны другие методы накачки: электрический разряд, химические реакции, тепловая накачка в газодинамических лазерах.
В полупроводниковых лазерах важнейшим способом накачки является инжекция носителей через p-n переход (31.4). В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковом лазере используются излучательные квантовые переходы между энергетическими зонами: зоной проводимости и валентной зоной полупроводникового диода (31.5).
Генерация лазерного излучения возникает в слое, примыкающем к p-n переходу при пропускании через диод большого прямого тока. Плотность тока, соответствующего началу генерации, обычно порядка
.
Оптическим резонатором в полупроводниковом лазере служат две плоскопараллельные грани, расположенные перпендикулярно плоскости p-n перехода. Коэффициент отражения этих граней около 30%. Схема такого лазера изображена рисунке.
В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой для создания инверсии населенности используют пучок электронов с энергией 104 - 105 эВ. При замедлении этих электронов за счет ионизации в полупроводнике образуются избыточные носители заряда.
31.7. Виды лазеров и их применение
По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельны е. По способу накачки: лазеры с оптической накачкой, газоразрядные, химические, ижекционные и лазеры с электронной накачкой.
Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:
1)большая временная и пространственная когерентность. Время когерентности τ составляет 10-3 с, что соответствует длине когерентности l = c · τ = 105 м;
2)строгая монохроматичность: Δλ ~ 10-11 м;
3)большая плотность потока энергии;
4)очень малое угловое расхождение в пучке (от 5·10-4 радиан до 4·10-2 радиан).
Коэффициент полезного действия лазеров изменяется от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом).
Мощность непрерывного излучения лазеров изменяется от 10-3 Вт (гелий-неоновый лазер) до 105 Вт (газодинамический лазер на CO2). Мощность импульсного излучения изменяется от 10 Вт (полупроводниковые лазеры) до 1013 Вт (лазеры на стекле с неодимом).
Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, времени и узком спектральном интервале может быть использована двояко:
1) нерезонансное воздействие мощных световых потоков на вещество в непрерывном и импульсном режимах (лазерная обработка материалов), использование мощных лазеров для решения проблемы термоядерного синтеза;
2) резонансное воздействие на атомы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции.
Нерезонансное, тепловое воздействие лазерного излучения, используемое в лазерной технологии обработки материалов, упрощает операцию получения отверстий в твердых, хрупких, тугоплавких материалах. Например, лазерная технология эффективна при изготовлении алмазных фильер - рабочего инструмента машин для волочения проволоки: через отверстие в фильере протягивается обрабатываемый материал. Лазерная технология используется для резки материала, нанесения рисунка на его поверхность, образование нужного микрорельефа на ней. Лазерная сварка позволяет соединить металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом.
В частности, в медицине (хирургии) лазерный луч в ряде случаев с успехом используется в качестве хирургического скальпеля. В офтальмологии лазерным лучом прикрепляют отслоившуюся сетчатку глаза. Отметим, что в медицине используют и резонансное воздействие лазерного луча на ткани организма, в частности, маломощное излучение гелий-неонового лазера. Механизмы такого воздействия пока в деталях не изучены, предполагается, что его необычно высокая эффективность при очень малой мощности излучения (десятки милливатт) объясняется цепными фотохимическими реакциями, возникающими под воздействием лазерного излучения.
Применение лазеров в спектроскопии резко повысило возможность традиционных методов, кроме того, позволило создать методы, основанные на принципиально новых физических принципах. Чувствительность спектроскопических методов доведена до предельного уровня, ограниченного регистрацией единичных атомов и молекул. Методы лазерной спектроскопии используются в лазерной химии, лазерном разделении изотопов.
Лазеры широко применяют в измерительной технике. Например, лазерные интерферометры на гелий-неоновых лазерах позволяют с большой точностью производить юстировочные и нивелировочные работы. Широко используются лазерные светодальномеры и даже лазерные рулетки на портативных полупроводниковых лазерах.
Применения лазеров столь обширны, что здесь невозможно даже их простое перечисление, кроме того, область применения лазеров постоянно расширяется.
С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики как нелинейная оптика и голография.
Нелинейная оптика исследует распространение мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Напряженности электрического поля в мощных лазерных пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. Это приводит к возникновению новых оптических эффектов и существенно меняет характер уже известных явлений. В частности, в 1969 г. была обнаружена самофокусировка света: мощный световой пучок, распространяясь в среде, не испытывает дифракционной расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.
Голография (от греческого holos - весь, полный, grapho - пишу) - способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины (см. 18.), которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.
Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, голограмма, за счет дифракции опорной волны на записанной в ней интерференционной картине, преобразует опорную волну в копию предметной.
Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором, венгром по происхождению. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа стали возможными лишь после появления источников света высокой степени когерентности - лазеров.
Схемы записи и воспроизведения голографического изображения показаны на двух следующих рисунках:
| Назад |
|
Сибирская
государственная геодезическая академия (СГГА), 2006.
|
|
|
