ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЛАЗЕРОВ

 

ЛЕКЦИЯ N 15

 

§ 1. Вводные сведения

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.

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).

Лазер содержит три основных компонента:

1)  активная среда, в которой создают инверсию населенности.

2)  система накачки - устройство для создания инверсии населенности.

3)  устройство положительной обратной связи - оптический резонатор.

Главными процессами, приводящими к лазерному излучению являются:

1)  вынужденное излучение;

2)  положительная обратная связь.

 

§ 2. Вынужденное (стимулированное) излучение

В соответствии со вторым постулатом Бора  излучение испускается или поглощается в виде квантов энергии   при переходе электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое. При этом:

Если  E_n < E_m - атом поглощает фотон , при  E_n > E_m - атом излучает фотон.

А. Эйнштейн в 1916 г. показал, что этих двух процессов недостаточно для установления состояния равновесия между излучением и веществом. 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 . При одинаковой интенсивности излучения вероятность единичного акта вынужденного излучения равна вероятности перехода атома из состояния  E₁ в состояние E₂, происходящего за счет поглощения фотона . На  рисунке 15.1 схематически изображены процессы: а) спонтанного излучения, б) вынужденного излучения и в) поглощения фотонов.

Рис. 15.1

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.

 

§ 3. 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 Максвелла-Больцмана (см. Ч. 4, (2.14)). Их отношение дается следующей формулой:

Как отмечено выше, 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  N₂ < N₁ 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  N₂ > N₁- состояние с инверсией населенности - то процесс вынужденного испускания будет преобладать над процессом поглощения.

Схематически этот процесс изображен на  рисунке 15.2.

Рис. 15.2

Появившийся за счет спонтанного излучения фотон с энергией , "размножается" за счет последовательных процессов вынужденного излучения. Возникает вспышка света, интенсивность которой зависит от размеров активной среды вдоль направления движения фотонов. Эта вспышка света называется сверхлюминисценцией.