Вынужденное излучение. Лазеры

Излучать энергию атом может только в том случае, если он возбужден, т. е. переведен из основного состояния на более высокий энергетический уровень. Возбудиться атом может разными способами: при бомбардировке вещества частицами, при облучении, при повышении температуры и т. д. Среднее время жизни атома в возбужденном состоянии составляет . Последующий переход на более низкий энергетический уровень может происходить спонтанно (самопроизвольно) или вынужденно. Спонтанные переходы в разных атомах независимы друг от друга, а испускаемые фотоны имеют разные направления и случайные фазы. Поэтому спонтанное излучение является некогерентным. Все естественные источники света дают спонтанное некогерентное излучение.

Однако в некоторых случаях возбужденные энергетические состояния могут существовать достаточно долго . Такие состояния называются метастабильными. Переход из метастабильного состояния в основное может достигаться под действием внешнего излучения. Это явление ускорения атомных переходов возбужденных атомов под действием электромагнитного излучения называется вынужденным излучением. Более того, возникающий в результате вынужденного излучения фотон оказывается точно в фазе с внешним фотоном, стимулировавшим это излучение атома, и летит в том же направлении. На основе использования вынужденного излучения Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США (1953 г.) были разработаны генераторы когерентного излучения - лазеры. Слово "лазер" составлено из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения. Другое название лазера - оптический квантовый генератор (ОКГ). Существуют различные типы лазеров: твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные.

Рассмотрим принцип действия твердотельного лазера на рубине, состоящем из оксида , в кристаллическую решетку которого внедрены ионы хрома Схема энергетических уровней хрома показана на рис. 5.5, где E ₁ - основной уровень; E ₂ и E ₃ - уровни возбуждения.

Рис.5.5

Причем, E ₂ - метастабильный уровень, так как спонтанный переход E ₂ → E ₁ запрещен правилами отбора (см. формулу (5.21)). Практически такие спонтанные переходы все-таки существуют, но осуществляются с гораздо меньшей вероятностью. Они и дают излучение с , которое определяет обычную окраску рубина (красную или розовую в зависимости от концентрации хрома).

Рассмотрим процессы, которые происходят в лазере. При поглощении из-вне квантов энергии частицы переводятся из основного уровня E ₁ на возбужденный E ₃, откуда они спонтанно совершают безизлучательный переход на метастабильный уровень E ₂. Время жизни частиц на метастабильных уровнях несравненно дольше, чем на обычных возбужденных. Поэтому "заселенность" метастабильного уровня E ₂ становится больше "заселенности" основного уровня E ₁, т. е. образуется так называемая инверсная населенность.

Для создания инверсной населенности используется процесс, который называется накачкой. В данном случае накачка осуществляется с помощью мощной ксеноновой лампы-вспышки, которая переводит ионы хрома в возбужденное состояние (на уровень E ₃). Далее происходит переход E ₃ → E ₂, при котором энергия передается кристаллической решетке (идет на нагревание). Возникает инверсная населенность.

При воздействии на такую среду случайного кванта, соотвествующего переходу E ₂ → E ₁, происходит вынужденное излучение. При этом из одного кванта получается два совершенно одинаковых кванта, затем четыре, восемь и т. д. В результате образуется каскад совершенно одинаковых по своим характеристикам фотонов.

На рис. 5.6. приведена принципиальная схема действия лазера. Как видно из этого рисунка, если "первичные" кванты движутся под углом к оси, то они вызывают каскад фотонов, уходящих через боковую поверхность ("первичные" фотоны В и С на рис. 5.6 а). Коэффициент усиления таких каскадов обычно мал. Эффект усиления в лазерах увеличивается за счет многократного отражения фотонов, движущихся параллельно оси ("первичный" фотон А). Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного направления, называется резонатором.

Рис.5.6

Простейший резонатор представляет собой пару зеркал с общей оптической осью, расположенных по разные стороны от активной среды. Одно из зеркал является непрозрачным, другое - полупрозрачным. Они показаны на рис. 5.6., где приняты следующие обозначения: 1 - активная среда, 2 - непрозрачное зеркало, 3 - полупрозрачное зеркало.

Лазерное излучение обладает рядом замечательных свойств. Оно является остронаправленным, полностью поляризованным, обладает большой мощностью, высокой монохроматичностью и когерентностью.