Основные принципы работы лазера.
Для источников света,
традиционных в оптическом диапазоне (тепловое излучение, газовый разряд,
люминесценция и т.п.) характерна некогерентность излучения.
В начале 60-х годов прошлого
века были созданы источники света, получившие название оптических квантовых генераторов
(ОКГ) или лазеров. («Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation» –усиление света индуцированным излучением). Главная особенность этих источников – когерентность
излучения. Кроме того (и это тоже связано с когерентностью) – способность
концентрации энергии – во времени, в спектре, в пространстве Это означает: а)
очень короткие импульсы б) высокая
степень монохроматичности в)очень узкий
световой пучок (В разных лазерах
по-разному).
Лазеры теперь широко используются в науке и технике
(голография, обработка информации, измерительная техника, энергетика, связь,
медицина и т.д.) Лазеры оказывают значительное влияние на развитие науки, в
частности, оптики, например, на развитие нелинейной оптики.
Рассмотрим возможность создания когерентного направленного
излучения. Что для этого нужно?
Пусть N излучающих
атомов равномерно заполняют кусок пространства в виде цилиндра диаметром D и длиной L.
Для простоты будем считать
амплитуды волн, излучаемых атомами, одинаковыми. Предположим также, что все
атомы, находящиеся в бесконечно тонком слое dz, перпендикулярном оси цилиндра, испускают волны с
одинаковыми начальными фазами 
. Будем считать также, что расстояния между атомами много
меньше длины волны, так что излучающую среду можно считать непрерывной и сумму
по всем излучателям заменить интегралом. Тогда поле, создаваемое атомами,
расположенными в какой-либо плоскости z=const подобно полю в случае дифракции плоской монохроматической волны, падающей
параллельно оси oz на экран с круглым отверстием диаметра D. Роль
вторичных источников света в принципе Гюйгенса – Френеля играют теперь реальные
источники – излучающие атомы. Угловая расходимость такого пучка равна 
. Всё излучение сосредоточено в узком телесном угле и на
большом расстоянии мы бы увидели от такого элементарного слоя свечение в виде
маленького светлого пятнышка.
(Например, если диаметр цилиндра равен 1см, а длина волны 
см, то угол будет 
и на расстоянии 100м пучек
от нашего элементарного слоя разойдется всего на 
.Если бы излучение было некогерентным, такой элемент –
круглая таблетка диаметром
Просуммируем поле от всех
слоев. Так как расходимость мала, то
рассмотрим точку на оси цилиндра. Пусть
точка наблюдения Р находится на
расстоянии r от цилиндра, r>>L. Тогда
амплитуда поля будет
Значение интеграла
определяется соотношением между 
и 
. Например, если 
( не зависит от z), то волны, приходящие
от слоев источника, отстоящих на
половину длины волны, будут гасить друг друга, так что практически будет иметь
значение только слой толщиной в половину длины волны. Ясно, что значение
интеграла будет невелико.
Можно показать, что интеграл будет максимальным,
если 
.
Действительно, это условие означает, что волны от всех слоев находятся в фазе и, следовательно, амплитуды их складываются.
В этом случае 
,
а интенсивность 
Физический смысл условия (1)
– волны от всех слоев приходят в точку наблюдения с одинаковыми фазами. Или –
для любого сечения z все волны. которые пришли сюда в момент t, находятся в одинаковой фазе (включая и ту волну,
которая излучается самим слоем). Значит, начальные фазы излучения различных
слоев должны быть разными. Графически это можно представить так.
Условие 
называется условием пространственного синхронизма или пространственной
синфазности.
Итак, в принципе можно получить
узкий и интенсивный световой пучок сложив амплитуды излучения всех атомов, если
существует способ сфазировать колебания
атомов. Формально идея пространственного синхронизма чрезвычайно проста. Пусть
с левого конца нашего цилиндра распространяется вдоль оси z плоская волна, которая, проходя через все сечения z заставляет
находящиеся там атомы излучать с той же самой фазой (и, разумеется, частотой),
которую в этот момент и в этом месте имеет она сама. В этой ситуации
распределение вдоль оси z фазы вторичных излучателей совпадает с распределением
фаз в «затравочной» волне и на выходе мы получим просто усиленную по амплитуде
исходную волну.
Оказывается
– возможность синхронизовать излучение различных атомов с помощью излучения
существует в природе и заключается в эффекте вынужденного испускания. Такой
механизм предложил Эйнштейн еще в 1916г. чтобы объяснить закон теплового
излучения. Дело состоит в следующем. По теории Бора атом может находиться
только в дискретных стационарных состояниях с определенной энергией 
Если состояние имеет
минимальную возможную энергию (условно – ноль) это невозбужденный атом. Если
энергия выше – атом возбужден. Возбуждение атома можно вызвать, например,
поглощением света, но также и другими причинами, например, столкновениями
атомов между собой. В возбужденном состоянии (с энергией 
) атом может
находиться некоторое время («время жизни» атома), а затем атом спонтанно переходит в какое нибудь
состояние с меньшей энергией (
). При этом атом излучает свет – испускается квант света,
частота которого определяется условием 
Это (спонтанное)
излучение не когерентно с волной, вызвавшей возбуждение атома. Но оказывается, если в среде (например,
газовой) имеются возбужденные атомы и на них падает волна частоты 
, то происходит вынужденное излучение. При этом
излученная волна когерентна с падающей. Таким образом, вместо одной волны
оказываются уже две волны., т.е. происходит усиление света. Так как волны
когерентны, то складываются их амплитуды. Следовательно, нужно уметь создать
такую среду, чтобы было много атомов в некотором возбужденном состоянии «k». Это не
очень просто. Дело в том, что если такая волна падает на атом в состоянии «i» (нижнем),
то происходит не усиление, а поглощение света. Нужно, чтобы число атомов в
верхнем энергетическом состоянии было настолько больше, чем в нижнем, чтобы усиление
превалировало. Такая среда называется оптически активной или средой
с инверсной заселенностью. Способы получения оптически активной среды
выходят за рамки нашего курса и мы их рассматривать не будем. Отметим только,
что получить инверсную заселенность за счет просто поглощения проходящей волны
нельзя, это противоречит закону сохранения энергии. Для получения инверсной
заселенности всегда требуется подведение извне дополнительной энергии, которая
затем частично преобразуется в энергию усиленного сигнала. Так работает квантовый
усилитель излучения (напомним – когерентного!).
Квантовый усилитель можно
превратить в генератор, если осуществить положительную обратную связь – часть
выходящего из усилителя излучения должна возвращаться в активную среду. Эту
роль выполняет резонатор.
Для
осуществления положительной обратной связи часть излучения должна оставаться
внутри рабочего вещества и вызывать вынужденное излучение снова. Для этого и
служит оптический резонатор. В простейшем случае это два плоских (или
сферических) зеркала. Одно из зеркал полупрозрачное (пропускание около 1%),
обеспечивает выход пучка излучения. В резонаторе всегда существуют вредные
потери (например, на дифракционную расходимость пучка). Если потери меньше, чем
усиление, возникает генерация.
Оптический резонатор можно рассматривать как колебательную систему, в которой
собственные колебания имеют вид стоячих волн с узлами на зеркалах. Если между
зеркалами укладывается целое число полуволн, то при вторичных и всех следующих
проходах через резонатор волна согласована по фазе с исходной, т.е.фактически
неотличима от нее. Этим и достигается, что все поля складываются, а не гасят
друг друга, получается одна мощная когерентная волна.
В резонаторе возможны несколько типов колебаний (они
называются моды). Они отличаются частотами и распределению интенсивности
по поперечному сечению трубки. На ширине спектральной линии могут укладываться
несколько мод, но чаще всего генерация происходит на одной моде.
Таким образом, работа
лазера основана на трех идеях:
1)
вынужденное
излучение (Эйнштейн, 1916г)
2)
применение
термодинамически неравновесной среды и возможность усиления света (Фабрикант,
1940г)
3)
Использование
положительной обратной связи.
Идеи были известны уже давно,
но первые квантовые генераторы в
микроволновом диапазоне («мазеры») созданы были только в 1954г (Басов и
Прохоров, Таунс).Генераторы работали на принципе разделения в пространстве
молекулярного пучка аммиака в неоднородном электрическом поле. Нобелевская
премия 1964г по физике. Первый ОКГ
(оптический квантовый генератор) в оптическом диапазоне был создан в 1960г.
Мейманом (импульсный, на рубине), а в
1961г. Джаван, Беннет и Эрриот создали He-Ne лазер
непрерывного действия. Это направление очень быстро, даже бурно, развивалось.
Количественные характеристики лазеров.
Разные лазеры
«специализируются» на разных свойствах. Если в лазере очень короткий импульс,
то невелика монохроматичность и т.п.
Монохроматичность. Теоретически можно получить 
(гелий-неоновый лазер
мощностью 1 мвт). Это
соответствует времени когерентности 
и длине когерентности 
– больше диаметра
земной орбиты! На практике, конечно, получается значительно меньше.
Практически достижимо:
Мощность до 
(в коротком импульсе
около 
Расходимость пучка 1 – 2 угловых минуты (теоретический предел около 20 секунд) – в
маломощных гелий-неоновых лазерах непрерывного действия)
Монохроматичность. Относительная ширина спектральной линии 
Короткие импульсы – до 
(Так как 
, то это соответствует 
, что соответствует примерно частоте видимого спектра. То
есть свет в таком коротком импульсе будет практически белым).
