ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...)§ 22. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.
В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний и co-д. Эйнштейн провождающее этот акт излучение могут
происходить не только самопроизвольно. Под влиянием внешнего электромагнитного поля возбужденный атом может преждевременно освободиться от избытка энергии путем излучения фотона. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома.
Таким образом, в результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон hv—E2—?1, с фотоном hv получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 101). Пролетающий фотон как бы «стряхивает» с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергии. С точки зрения волновой теории атом излучает электромагнитную волну, совершенно одинаковую по направлению распространения, частоте, фазе и поляризации с той, которая вынудила атом излучать. В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Именно это свойство индуцированного излучения положено в основу устройства лазеров.
Необходимо подчеркнуть, что индуцированное излучение происходит в полном соответствии с законом сохранения энергии. Вынуждающая световая волна играет роль «спускового устройства» в механизме излучения атомом запасенной ранее энергии.
Инверсная населенность уровней. При хаотическом тепловом движении распределение энергии среди атомов неравномерно. Некоторая часть атомов возбуждена, что соответствует их нахождению на более высоких, чем основной, уровнях энергии. В условиях теплового равновесия и при отсутствии внешнего электромагнитного поля большая часть атомов обладает минимумом энергии. Образно говоря, населенность верхних уровней меньше населенности нижних.
Под влиянием энергетических воздействий — повышения температуры, освещения, бомбардировки быстрыми частицами — доля возбужденных атомов возрастает, т. е. населенность верхних уровней увеличивается. Этот процесс иллюстрируется рисунком 102, а, б.
Казалось бы, по мере повышения температуры можно получить такое распределение частиц по уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних. Но это не так. Ведь возбужденное состояние неустойчиво. По мере увеличения заселенности верхних уровней увеличивается вероятность спонтанных переходов, которые сопровождаются излучением.
В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант высказал предположение о возможности создания такого распределения В. А. Фабрикант частиц по энергиям, при котором число возбужденных атомов больше числа атомов, находящихся в основном состоянии (рис. 102, в). Такое состояние называют состоянием с инверсной населенностью уровней (от латинского inversio — переворачивать).
Выясним, какие особые свойства присущи состоянию с инверсной населенностью уровней.
При распространении света в веществе обычно происходит поглощение света. Это происходит потому, что в состоянии термодинамического равновесия число невозбужденных атомов в веществе много больше, чем число возбужденных, и, следовательно, фотоны чаще взаимодействуют с невозбужденными атомами, т. е. поглощаются веществом.
В веществе же с инверсной населенностью уровней число возбужденных атомов больше числа невозбужденных. При этом уменьшается вероятность встречи фотонов с невозбужденным атомом, т. е. уменьшается вероятность поглощения фотонов. Вещество становится более прозрачным или даже способным усиливать свет. Действительно, если в нем движется фотон, энергия которого в точности равна разности энергий атомов в состояниях ?2 и Е\ (рис. 102, в), то, взаимодействуя с возбужденным атомом, такой фотон вызовет индуцированное излучение. В результате появится второй такой же фотон. Взаимодействуя с другими двумя возбужденными атомами, эти два фотона вызовут высвечивание еще двух атомов. В конечном счете вместо одного фотона из вещества выйдет много фотонов, что является усилением света. Усилению света способствует то обстоятельство, что фотоны с частотой
слабо поглощаются веществом. Среду называют активной, если в ней число индуцированных фотонов превышает число поглощенных.
Эти особенности сред с инверсной населенностью уровней были установлены в 1951 г. В. А. Фабрикантом, М. М. Вудын-
ским и Ф. А. Бутаевой. В 1964 г. Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР выдал этим ученым диплом на открытие, в котором, в частности, говорится: «Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии».
Условия, необходимые для создания в веществе инверсной населенности энергетических уровней. Какими же способами можно создать состояние с инверсной населенностью энергетических уровней в веществе? Создать инверсную населенность в системе двух уровней путем длительного освещения вещества мощным световым импульсом невозможно. Во-первых, с увеличением концентрации частиц на верхнем уровне возрастает вероятность спонтанных переходов; во-вторых, возбуждающее излучение вызывает индуцированное излучение, переводящее частицы на нижний уровень.
Иные возможности открываются при использовании веществ, среди энергетических состояний которых имеются такие возбужденные состояния, в которых атомы могут находиться не 10“8 с, как обычно, а значительно более длительное время. Такие состояния и соответствующие им уровни энергии называют мета-стабильными.
Пусть уровень энергии ?2 на рисунке 103, а метастабиль-ный, характеризуемый «временем жизни», в 1000 раз большим «времени жизни» уровня Ез.
Система атомов с инверсной населенностью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подается на его вход. Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал. В результате одного из спонтанных переходов атомов с метаста-бильного уровня на основной возникает фотон с энергией:
При движении в сторону одного из зеркал он вызывает индуцированное излучение, и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с энергией каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться с метастабильного уровня возбужденные атомы, оставшиеся в этом состоянии.
С квантовых позиций генерация света должна происходить при любом расстоянии между зеркалами. Но опыт показывает, что она возникает только при определенной длине L резонатора, кратной целому числу полуволн:
При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волны, и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн.
Рассмотренный принцип усиления и генерации электромагнитного излучения был предложен советскими физиками Н. Г. Б а-совым и А. М. Прохоровым и одновременно американским физиком Ч. Таунсом. За работы в этой области Н. Г: Басов и А. М. Прохоров удостоены Ленинской премии в 1959 г. и вместе с Ч. Таунсом в 1964 г. им была присуждена Нобелевская премия.
Устройство рубинового лазера. Оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: активной среды и резонатора.
В первых лазерах активной средой был кристалл рубина (АЬОз) с примесью около 0,05% хрома (рис. 104). Этот основной элемент лазера обычно имеет форму цилиндра / диаметром 0,4—2 см и длиной 3—20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны, и на них нанесен слой серебра. Одна из зеркальных поверхностей частично прозрачна: 92% светового потока отражается от нее и около 8% пропускается ею.
Рубиновый стержень помещен внутри импульсной ксеноновой спиралевидной лампы 2, питаемой импульсами высокого напряжения от батареи конденсаторов электроемкостью до 104 мкФ, заряжаемой до напряжения в несколько тысяч вольт. При разряде через лампу конденсаторы батареи отдают энергию в сотни тысяч джоулей. Длительность вспышки составляет 10_3 с, а мощность лампы превышает 107 Вт. Лампа является источником возбуждающего излучения. Инверсная населенность уровней в рубине создается использованием трех уровней энергии атомов хрома.
Атомы хрома, поглощая излучение с длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре ксеноновой лампы, переходят с основного уровня Е на возбужденный уровень Ез. Поглощение рубином излучения лампы с
другими длинами волн вызывает его нагревание. Для предохранения от теплового разрушения рубин охлаждается жидким азотом.
Время жизни атомов хрома на возбужденном уровне Ез мало. Для перехода с уровня Ез на основной Е{Ез-+ЕС) оно составляет 10“5 с, а для перехода Е3-+Е2 оно меньше 10-7 с. Поэтому большая часть атомов, возбужденных на уровень Е3, совершает переходы на второй возбужденный уровень ?2.
Время жизни атома хрома на уровне Е2 сравнительно велико — порядка 10_3 с. Этот уровень является метастабильным: Если мощность лампы-вспышки достаточно велика, то населенность метастабильного уровня окажется больше, чем населенность основного уровня. При достижении инверсной населенности уровней кристалл рубина становится активной средой.
Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой. Соответственно используемую для этого импульсную ксеноновую лампу называют лампой накачки.
Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня ?2 на основной Е с испусканием фотона с частотой V2i=——L, которой соответствует длина волны красного света 694,3 нм, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление вылета первичного фотона было перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то из полупрозрачного зеркала резонатора вырывается монохроматическое, когерентное и остронаправленное излучение с длиной волны 694,3 нм.
Процессы, протекающие в кристалле рубина, схематически представлены на рисунке V цветной вклейки.
Кристалл рубина изображен на этой вклейке прямоугольником; штриховкой слева обозначено зеркало; более редкой штриховкой справа обозначено частично прозрачное зеркало, являющееся и выходным окном для луча лазера. Атомы кристаллической решетки рубина на рисунке не показаны; кружками обозначены атомы хрома, распределенные внутри кристалла хаотически.
До воздействия света все атомы хрома в кристалле находятся в основном состоянии, они обозначены светлыми кружками (см. рис. V, а на цветной вклейке). Под воздействием фотонов света различной частоты, испускаемых лампой накачки, большинство атомов хрома переходит в возбужденное метастабиль-ное состояние. Возбужденные атомы хрома обозначены темными кружками (см. рис. V, б на цветной вклейке).
Возбужденный атом хрома при переходе в основное состояние испускает фотон света. Все направления для спонтанного излучения фотонов равновероятны, и поэтому сначала большинство излученных фотонов покидает кристалл, вылетая из него по различным направлениям. Только фотоны, летящие вдоль оси
рубинового стержня, не могут быстро его покинуть, испытывая многократные отражения от зеркал на торцах кристалла (см. рис. V, в на цветной вклейке). Пролетая вблизи возбужденных атомов хрома, эти фотоны вызывают вынужденное излучение таких же фотонов, летящих в том же направлении. Этот процесс развивается лавинообразно, и за короткий интервал времени в него оказывается вовлеченной большая часть возбужденных атомов хрома: сквозь частично прозрачное зеркало на правом торце кристалла вырывается мощный пучок когерентного света (см. рис. V, г на цветной вклейке).
Описанный режим работы лазера называют режимом свободной генерации. Свободная генерация начинается после вспышки лампы накачки и длится около 1 мс. В этом режиме получены рекордные значения энергии излучения, достигающие 1000 Дж в импульсе при мощности около 106 Вт.
КПД рубинового лазера невелик: он составляет всего около 1%. Столь низкий КПД обусловлен многими причинами. Основными из них являются следующие:, не весь запас электрической энергии, накапливаемой в конденсаторе, превращается в световую энергию; лишь часть светового потока лампы накачки поглощается рубином.
Устройство газовых лазеров. Активной средой в газовых лазерах является газ или смесь газов в стеклянной или кварцевой трубке. Зеркала резонатора устанавливают вблизи концов внутри трубки или за ее пределами (рис. 105).
Наиболее распространенными являются неон-гелиевые лазеры. С помощью внешних электродов и высокочастотного генератора в трубке, содержащей смесь гелия (р — 102 Па) и неона (р~10 Па), возбуждается газовый разряд. В плазме газового разряда атомы гелия и неона возбуждаются при неупругих столкновениях с электронами. Вероятности возбуждения атома на различные уровни неодинаковы. В некоторые состояния атом переходит с большей вероятностью. Если большим оказывается и время их жизни в этих состояниях, то такие состояния можно использовать в качестве верхних рабочих уровней для создания инверсной заселенности.
Упрощенная схема энергетических уровней неона и гелия показана на рисунке 106.
Основным, или рабочим, газом является неон. В возбужденных атомах неона электроны занимают уровни Ез, Ез и Е\. Время жизни на уровнях Ез и Ез больше, чем на расположенном ниже уровне Еi . Это дает возможность создать инверсную заселенность уровней Ез и Е2 относительно уровня Ei. Но генерация, наблюдающаяся в чистом неоне, очень слаба. Для увеличения заселенности уровней неона Ез и Е2 в разрядную трубку добавляется гелий. Среди возбужденных уровней атома гелия уровни Е2 и Ез близки по энергиям к уровням Ез и Ез неона. Это обстоятельство делает возможной резонансную передачу энергии возбужденными атомами гелия атомам неона при неупругих столкновениях. Возбуждение атомов гелия осуществляется электронными ударами.
Уровни ?г и Е'з гелия являются метастабильными. Поэтому концентрация атомов гелия, находящихся в возбужденных состояниях Ез и Ез, оказывается в газоразрядной плазме довольно высокой. Вероятность встречи возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона повышается при увеличении концентрации гелия, которая оказывается оптимальной, если атомов гелия в 5—10 раз больше, чем атомов неона.
Резонансная передача энергии возбужденными атомами гелия атомам неона приводит к возникновению инверсной заселенности уровней Ез и ?2 атомов неона. Переходы с этих уровней на уровень Е\ могут обеспечить генерацию когерентного индуцированного излучения с длинами волн 632,8 и 1150 нм.
Если есть необходимость усилить генерацию только видимого излучения с длиной волны 632,8 нм, нужно подавить генерацию инфракрасного излучения с длиной волны 1150 нм. Это достигается применением зеркал, отражающих, а следовательно, и усиливающих только излучение с длиной волны 632,8 нм. Тогда первые же кванты спонтанного излучения, многократно отражаясь от зеркал резонатора, вызывают лавинообразное увеличение интенсивности света с длиной волны 632,8 нм. Неон-гелиевые лазеры обладают небольшими значениями КПД, порядка 10~3—10-|%.
Среди газовых лазеров выделяются лазеры на углекислом газе (С02). Их КПД 10—40%, а мощность достигает десятков киловатт.
Применения лазеров. Все применения лазеров основаны на использовании специфических свойств их излучения — высокой монохроматичности, острой направленности, когерентности и большой мощности излучения. Промышленность выпускает разные типы лазеров различного назначения. Конкретные практические применения лазеров столь многочисленны, что их трудно даже просто перечислить.
Остановимся на некоторых применениях лазеров. Одно из первых применений лазеров — обработка твердых материалов. Раньше, например, на прошивание одного отверстия в алмазе при изготовлении фильер затрачивалось два дня. С применением лазера эту же операцию выполняют за две минуты. Лучу легко придать в сечении любую форму, а значит, и получить любую форму прошиваемого им отверстия. Этим методом изготавливают, например, фильеры треугольной формы, которые используют при изготовлении волокна для объемной пряжи.
В часовой промышленности производительность труда по обработке рубинов с применением лазеров возросла в десятки раз.
При плотности мощности 105—10 Вт/см лазерный луч плавит и сваривает металлы. Скорость сварки металлов лазерным лучом доходит до нескольких сантиметров в секунду, а стоимость работ в 1000 раз меньше, чем при обычных методах. Современные лазеры способны резать листы металла толщиной в несколько сантиметров со скоростью около 1 м/мин. На некоторых предприятиях уже осуществляется фигурный раскрой тканей лучом лазера. При этом края среза оплавляются и не требуют обметывания при пошиве одежды.
Большие преимущества по сравнению с радиоволнами дает использование лазерного луча в системах связи. По одному лазерному лучу можно в принципе одновременно передавать до 109 телефонных разговоров и 105 телепрограмм. Экспериментальные линии лазерной связи уже работают.
Лазер может служить инструментом для измерения расстояний. С помощью лазерного локатора расстояние до Луны измерено с точностью до четырех метров!
Лазеры нашли применение в строительстве. Например, при сооружении Останкинской телебашни был применен лазерный зенит-центрир, которым контролировалось отклонение оси башни от вертикали с точностью до 6 мм.
Лазеры широко применяются для контроля горизонтальности взлетно-посадочных полос при их строительстве, для контроля движения под землей проходческих щитов во время прокладки тоннелей. Достигаемая точность — 4 мм на 200 м.
Широко применяют лазеры и в медицине. Например, довольно распространенной причиной потери зрения является отслаивание сетчатки глаза. С помощью лазера за доли секунды и без боли сетчатку «приваривают» к глазному дну. С помощью лазеров уничтожают опухоли внутри кровеносных сосудов, питающих глаз.
Исключительно разнообразны применения лазеров в научных исследованиях. Лазерный луч позволяет биологам определять состав отдельных частей клетки. Для этого его фокусируют с помощью линзы на избранный участок клетки; вещество этого
участка испаряется и превращается в облачко ионов. Maq-спектрометр улавливает ионы и производит качественный и количественный анализ.
Высокая монохроматичность и направленность лазерного излучения позволяют с помощью обычных оптических систем сфокусировать его в пятно площадью 10~6 см2 и диаметром -~10 длин волн видимого излучения. При этом достигаются рекордно высокие значения поверхностной плотности потока излучения. Современные лазеры непрерывного действия дают поверхностную плотность потока сфокусированного излучения до 1014 Вт/м2, а в импульсных схемах — до 1022 Вт/м2, тогда как плотность потока солнечного излучения у поверхности Земли составляет лишь около 103 Вт/м2 и при фокусировке — до 108 Вт/м2.
Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет использовать его как уникальный инструмент для локальной тепловой обработки материалов. Возможность нагреть облучаемый участок детали за короткое время без распространения тепла на соседние участки позволяет, в зависимости от дозировки, размягчить, рекристаллизировать, расплавить или даже испарить ограниченный участок. Это позволяет осуществить любой режим термообработки: закалку, легирование и плавление, сварку, резку и сверление.
Для некоторых деталей самолетов достигнуто повышение прочности в 100 раз при использовании излучения импульснопериодических лазеров. При плотности потока излучения 108— 10 Вт/см2 над обрабатываемой поверхностью возникает слой плазмы, распространяющейся навстречу лучу. Вблизи поверхности образуется ударная волна с пиковым давлением ~107 Па. Ее воздействие на металл оказывается таким же, как и холодная обработка давлением.
В США разрабатываются различные варианты военного применения лазеров, включая программу «звездных войн» с размещением лазерного оружия в космическом пространстве. Советский Союз выступает за прекращение разработки каких-либо новых видов вооружений и призывает договориться о запрещении размещения в космосе любых видов оружия.
|
