Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

новый цуг волны, причем в той же фазе, по тому же направлению II с той же поляризацией, что и падающая волна. Синфазностъ первичной и вторичной волн обусловливает то, что при интерфе­ ренции обеих волн амплитуда удваивается, а энергия, пропорцио­ нальная квадрату амплитуды, учетверяется по сравнению с энер­ гией падающей волны.

Если две волны, падающая и индуцированная, встретят на своем пути другие возбужденные атомы, то прибавятся вынужден­ ные излучения новых атомов и т. д. Интенсивность излучения будет нарастать лавинообразно, причем в максимальной степени из-за когерентности всех воли. Это и осуществляется в лазерах.

выражающей экспоненциальное уменьшение интенсивности волны

впроцессе прохождения ею расстояния z в поглощающей среде, возрастание интенсивности с увеличением расстояния может быть интерпретировано как отрицательное поглощение. Оно было впер­ вые осуществлено в 1939 г. советским ученым В. А. Фабрикантом.

Практически вынужденное излучение было реализовано только

в50-х годах нашего века. В 1954 г. были построены источники когерентного излучения в сантиметровом диапазоне радиоволн — мазеры, а в I960 г. — источники видимого и инфракрасного инду­ цированных излучений —• лазеры. За эти работы советским уче­ ным, академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуж­

дена Ленинская премия; совместно с американским ученым Ч. Таунсом они в 1963 г. получили Нобелевскую премию по фи­ зике.

Рассмотрим условия, необходимые для создания вынужденного излучения, и практические способы его получения.

Если совокупность атомов газа или кристалла находится в со­ стоянии термодинамического равновесия, то заполнение энергети­ ческих уровней каждого атома подчиняется равновесному распре­ делению Больцмана. Чем выше энергетический уровень, тем мень­ шее число атомов на нем находится. Для того чтобы возникло вынужденное излучение, необходимо нарушить равновесное, больцмаиовское распределение атомов по энергетическим уровням. Для возникновения стимулированного излучения нужна такая степень неравновесное™, при которой на верхнем энергетическом уровне

Такое состояние среды называется инверсным, т. е. обратным равновесному состоянию. Процесс перевода среды в инверсное со­ стояние с помощью внешних источников энергии называется в ла­ зерной технике накачкой, а вещество, с помощью которого это производится, — активной средой лазера.

325

Больцмановское распределение атомов по энергетическим уров­ ням имеет следующий вид:

е 2- е ,

Найдем из распределения Больцмана (8.53') абсолютную темпе­ ратуру Т:

Неравновесное распределение по уровням по условию (8.53) удовлетворит соотношению (8.53'), если абсолютную температуру считать отрицательной. Таким путем в современную физику вошло представление об отрицательной абсолютной температуре. Следует подчеркнуть, что в отличие от обычной положительной температу­ ры отрицательная температура есть условное понятие, которое ха­ рактеризует неравновесное, инверсное .состояние среды.

Перевод среды в инверсное состояние еще недостаточен для создания вынужденного излучения. Дело в том, что, помимо сти­ мулированного излучения, существует спонтанное излучение. Ато­ мы, «накачанные» с уровня Е\ на уровень Е3, спонтанно переходят на уровень Е\ и при этом испускают монохроматическое излучение с частотой

v = J - ( £ * — E t ) ,

которое не является когерентным. Спонтанное излучение и погло­ щение света препятствует усилению когерентного, стимулирован­ ного излучения.

Для практического создания вынужденного излучения исполь­ зуется так называемая трехуровневая схема. Она реализована в первых лазерах — твердотельных на рубине и газовых на смеси гелия и неона. Суть дела поясним на принципе работы рубинового лазера.

Кристалл рубина представляет собой в химическом отношении окись алюминия А120 з , «загрязненную» окисью хрома Сг20 з . Имен­ но примеси С г20 3 рубин обязан своей окраской. Активными атома­ ми, в которых осуществляются вынужденные переходы, являются ионы хрома Сг+++. Природный рубин для создания лазеров в ряде случаев оказывается слишком «загрязненным». В настоящее время ученые научились делать рубин с требуемыми свойствами, в част­ ности с необходимой концентрацией атомов примеси.

Схема важнейших энергетических уровней Сг+++ такова: над основным, низшим уровнем Е 1 расположены две энергетические полосы Е2; между этими полосами и уровнем Е і находится так на­ зываемый метастабильный уровень Е3. (рис. 89).

326

Рис. 89.

Накачка производится зеленым светом газоразрядной лампы. Ионы хрома, поглощая «зеленые» фотоны накачки, переходят на уровни полосы Ео. Большая ширина ее облегчает дело: для накачки не требуется высокомонохроматического света. Это повышает к.п.д. лазера, т. е. отношение мощности лазерного луча к мощно­ сти накачки.

С уровня Д2 наиболее вероятным оказывается не обратный переход на Е и а переход на^іетастабильные уровни Д3, причем такие переходы являются безызлучательными: освобождающаяся энергия Е2— Д3 передается кристаллической решетке, т. е. идет на нагревание кристалла. При этом уменьшается к.п.д. лазера, а кроме того, непрерывное нагревание кристалла может привести к его разрушению. Пока не найдены эффективные способы охлаж­ дения, рубиновые лазеры работают в импульсном режиме.

На метастабильном уровне Д3 атом может находиться доста­ точно долго без внешнего воздействия (греческая приставка «мета» означает «как бы»). Для выхода из метастабильного состояния

даже единственный фотон частоты ѵ, возникший при спонтанном переходе Д3 -г*-Д]. Это необходимо для начала работы всех кван­ товых генераторов.

Для лавинообразного усиления вынужденного излучения нужно стимулировать излучение все новых и новых атомов активной сре­ ды. С целью более полного использования «накачанных» атомов активной среды, для получения максимально возможной интенсив­ ности лазерного луча активная среда помещается между зерка­ лами. В твердотельных лазерах зеркальные слои наносятся на торцы образца активной среды, например рубинового стержня. Одно из зеркал (зеркало А) делают сплошным, а другое '(зер­ кало В) — полупрозрачным (рис. 90). Поскольку фотоны инду­ цированного излучения летят строго по тому же направлению, что

327

и их «родители», излучение будет усиливаться только в направле­ нии оси кристалла (точнее, перпендикуляра к плоским зеркалам А и В). Излучение, направленное даже под очень малым углом к оси, рано или поздно, после меньшего или большего числа отра­ жении, покинет активную среду и для лазерного луча окажется потерянным. Сам же лазерный луч формируется следующим об­ разом.

Вначале на пути от места «затравки» до полупрозрачного зер­ кала В возникает не очень мощная лавина фотонов индуцирован­ ного излучения. Часть фотонов пройдет зеркало В, создав лазер­ ный луч, другая часть отразится и будет «срывать» вынужденное излучение с других атомов активной среды, усиливая общий по­ ток фотонов, летящих к зеркалу А. От него лавина отразится и, пройдя еще раз длину активной среды I, но в другом направлении, породит более мощный лазерный луч, выходящий через зеркало В.

I■ Последовательное усиление лазерного луча будет происходить не беспредельно, а до тех пор, пока не будет достигнута максималь­ ная в данных условиях мощность лазерного луча. Выход на. уста­ новившийся режим происходит очень быстро, поскольку фотоны

летят со скоростью света.

Наличие предельной мощности генерируемых колебаний явля­ ется общим свойством всякого генератора, который представляет собой своеобразную нелинейную колебательную систему.

В лазере идут два противоположных процесса: 1) лавинооб­ разное нарастание интенсивности лазерных фотонов вдоль актив­

лишь часть падающих на них фотонов. Если потери будут слиш­ ком велики, усиления не будет и генерация лазерного луча «сор­

Для возбуждения генерации лазера нужна определенная кон­ центрация инверсных атомов, а для этого требуется определенная мощность лампы накачки. С ростом мощности накачки будет на­ растать и лавина лазерных фотонов и, следовательно, интенсив­ ность лазерного луча. Однако это возрастание не беспредельно. ' В конце концов будет достигнута максимальная яркость лазерного луча, и дальнейшее увеличение мощности накачки не будет отра-

328

жаться на луче лазера. Это явление аналогично насыщению элект­ ронной лампы пли фотоэлемента и называется насыщением лазера. Оно обусловлено тем, что с ростом концентрации инверсных атомов возрастает число спонтанных переходов. А это приводит к умень­ шению инверсии и, следовательно, к уменьшению числа нндущшо-

Наконец, следует выполнить еще одно условие: нужно на­ строить резонатор — рубин с зеркалами — на частоту лазерного излучения. Для этого следует согласовать длину активной зоны,

т. е. расстояние между зеркалами, с частотой стимулированного перехода.

Рассмотрим атомы активной среды, расположенные в произ­ вольном сечении S активной среды, параллельном зеркалам. На волновом языке когерентное усиление вынужденного излучения означает возрастание амплитуды вынуждающей волны пропорцію-: налы-ю числу излучающих атомов. Разные атомы будут давать вынужденное излучение в разные моменты времени. Одни излуча­ ют, например, в момент, когда вынуждающая волна бежит слева направо, а другие — когда вынуждающая волна придет к ним, от­ разившись от зеркала В. Для максимального, когерентного усиле­ ния излучения необходимо, чтобы вторая группа атомов излучала в той же фазе, что и первая группа. Это будет только при условии, что сдвиг по фазе вынуждающей волны между ее двумя последо­ вательными прохождениями через одно и то же сечение активной среды будет равен 2 л пли числу, кратному 2 л:

Отсюда можно получить условие, определяющее необходимые раз­ меры активной среды лазера. Легко видеть, что для повторного прохождения сечения 5 в том же направлении вынуждающая вол­ на должна пройти расстояние, равное 21, где I — расстояние между зеркалами А и В (торцами рубинового стержня). Сдвиг фазы при этом будет равен п- 2 л, если на расстоянии 2 / .уло­ жится целое число п длин волн Я:

Поскольку длина волны Я и частота ѵ связаны соотношением

С

Я = — , то из (8.56) найдем длину / активной среды, необхо-

V

димую для генерирования лазерного луча частоты ѵ:

3 2 9