ФИЗИКА ЛАЗЕРА

Ранее мы познакомились в общих чертах с устройством лазера и выяснили, как свет взаимодействует с атомами вещества. Это позволяет перейти теперь к объяснению физики лазера.
98

Физика лазера «начинается» в его активных центрах.

Пусть для определенности это будут активные центры в лазере на рубине; как мы уже знаем, ими являются ионы хрома. Рассматривая взаимодействие света с атомами, для простоты полагали, что атомы имеют всего два энергетических уровня. Ион хрома, как и любой реальный ион или атом, имеет в действительности не два, а много уровней. Надо заметить также, что ион хрома в данном случае не является свободным, а находится в кристалле рубина; это приводит к тому, что энергетические уровни иона как бы «размываются», превращаясь в энергетические полосы. Впрочем, не следует особенно пугаться. Некоторые энергетические полосы оказываются достаточно узкими, так что их можно приближенно рассматривать как энергетические уровни. Что же касается числа уровней (полос) иона хрома, то для работы лазера на рубине существенны только некоторые из них; в рассматриваемом случае можно ограничиться схемой из двух уровней и двух энергетических полос. Введем обозначения: 1 и 2 для уровней, 3 и 4 для полос; обозначения даны в порядке возрастания энергии. Уровень 1- основной; в отсутствие накачки (когда лазер не работает) практически все ионы хрома находятся на этом уровне. Лазерное излучение рождается на переходах 2 -gt; 1 ионов хрома; по этой причине уровень 2 называют верхним рабочим уровнем, а основной уровень 1 играет

Эта схема энергетических уровней * и полос объясняет физику лазерной генерации в рубине. Изображены уровни и полосы активного центра — иона хрома. Вертикальные стрелки, направленные снизу вверх, обозначают переходы, обусловленные поглощением фотонов излучения накачки. Косые стрелки — самопроизвольные безызлучательные переходы, приводящие к накоплению ионов хрома на верхнем рабочем уровне. Двойная стрелка — рабочий переход, в результате которого рождается лазерное излучение
в данном случае роль нижнего рабочего уровня. Разность энергий рабочих уровней соответствует длине волны лазерного излучения 0,694 мкм (красный цвет).
Напомним, что в лазере на рубине (как и в любом твердотельном лазере) применяется оптическая накачка. Ксеноновая лампа-вспышка посылает мощные световые импульсы на активный элемент. Поглотив фотон из излучения накачки, ион хрома возбуждается: он скачком поднимается с уровня 1 в полосу 3 (или в полосу 4). Там он долго не задерживается и переходит на уровень 2, отдавая избыток энергии колебаниям кристаллической решетки рубина.
Обратим внимание читателя на следующее весьма важное обстоятельство.Оказавшись на уровне 2, ион хрома «застревает» там на относительно длительное время, составляющее 10-4-10-3 с. Мы не оговорились, назвав длительными промежутки времени, измеряемые тысячными долями секунды. Следует помнить, что в мире атомов свои масштабы. Во всяком случае, указанное время в десятки и сотни тысяч раз больше, чем время, в течение которого ион хрома находился в полосе 3 или 4. Уровень 2 называют «долгоживущим» (слова «долго живет» надо относить, очевидно, не к самому уровню, а к иону, который попал на данный уровень) или, по-научному, мета- стабильным. Метастабильность верхнего рабочего уровня имеет для работы лазера принципиальное значение. Представим себе поток фотонов накачки, бомбардирующих активный элемент. Ионы хрома поглощают фотоны и один за другим перескакивают в полосы 3 и 4, а оттуда на уровень 2. Так как уровень 2 метастабилен, то на нем будет накапливаться всё больше и больше ионов хрома, и вскоре число ионов на уровне 2 станет больше числа ионов, оставшихся на уровне 7. В результате возникнет инверсная населенность рабочих уровней. Активный элемент готов к работе! Теперь достаточно «сигнала» (в виде фотона с энергией, равной разности энергий уровней 2 и 7), чтобы произошел дружный переход ионов хрома с уровня 2 на уровень 7; при этом родится целая лавина вынужденно испущенных фотонов.
Итак, под действием накачки метастабильный верхний рабочий уровень «перегружается» активными центрами и возникает инверсная населенность рабочих уровней. Если через такую среду пропустить световой
импульс на длине волны, соответствующей разности энергий рабочих уровней, то импульс, проходя через среду, не ослабится, а, напротив, усилится (поскольку вынужденное испускание преобладает здесь над поглощением света). Всё именно так и происходит в приборах, называемых квантовыми усилителями света. Лазер же является не усилителем, а генератором света; здесь нет первичного светового импульса. Поэтому надо объяснить, как же начинается или, точнее говоря, зарождается генерация лазерного излучения в активном элементе с инверсной населенностью уровней.
Здесь мы должны вспомнить о спонтанном испускании света атомами вещества и, в частности, активными центрами. С него-то всё и начинается. Роль первичных фотонов, инициирующих вынужденное испускание на переходе между рабочими уровнями, играют фотоны, которые возникли вследствие спонтанных скачков активных центров с уровня 2 на уровень 1. Каждый такой фотон рождается самопроизвольно. Родившись, он инициирует рождение лавины вторичных фотонов, дружно устремляющихся за ним.

Предвидим недоумение, которое может возникнуть у внимательного читателя. Спонтанно рождающиеся фотоны испускаются активными центрами несогласованно во времени и притом в самых разных направлениях. Значит, в разных направлениях полетят и соответствующие лавины вторичных фотонов. Каким же образом получается лазерный луч?
Недоумение читателя совершенно понятно. Чтобы получить лазерный луч, необходимо как-то упорядочить описанную выше картину. Это делает оптический резонатор. Мы уже рассказывали, что простейший оптический резонатор-это два зеркала с общей оптической осью, которая и задает в пространстве направление лазерного луча. Активный элемент находится между зеркалами. Если это твердый цилиндрический стержень, то его ось совпадает с общей осью зеркал; зеркала находятся на торцах стержня.
Теперь сообразим, как будут развиваться события в активном стержне, помещенном между зеркалами. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси стержня, пройдут внутри него относительно большой путь, который к тому же многократно увеличивается вследствие отражений излучения от зеркал

резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами (точнее говоря, с активными центрами, накопившимися на верхнем рабочем уровне), эти фотоны будут инициировать в конечном счете мощную лавину вынужденно испущенных фотонов. Можно представить себе, как случайно родившийся в направлении оси стержня фотон, двигаясь вдоль стержня, «обрастает» вторичными фотонами и превращается в световой импульс; дойдя до зеркала резонатора и отразившись от него назад, этот импульс снова проходит по активному стержню и еще более усиливается - и так много раз. Часть накопившейся в импульсе световой энергии покидает резонатор через выходное зеркало в виде лазерного импульса. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые родились не в направлении оси стержня, а в других направлениях, то они (равно как инициированные ими лавины вторичных фотонов) пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и довольно быстро «выйдут из игры».
alt="" />
Здесь можно видеть, что происходит с фотонными лавинами, зарождающимися от различных спонтанно испущенных фотонов. На верхнем рисунке фотонная лавина, зародившаяся в точке А, достигает левого зеркала и отражается от него назад в активный элемент. На нижнем рисунке эта лавина, распространяясь вдоль оси резонатора слева направо, значительно усиливается и порождает выходное лазерное излучение. Остальные показанные на рисунках лавины (лавины, зародившиеся в точках В, С, D, Е, F. G) развивались не в направлении оси резонатора и поэтому быстро "вышли из игры"

Что ж,- может заметить читатель.-Получается, что лазерное излучение зарождается из спонтанного излучения (иначе говоря, из шума) благодаря избирательности усиления, т. е. благодаря тому, что усиление излучения происходит преимущественно лишь вдоль определенного направления?-Именно так и получается,-ответим мы нашему читателю. Фактически мы встречаемся здесь с ситуацией, известной в кибернетике под названием «отбор информации из шума». Когерентное, иначе говоря, внутренне упорядоченное излучение лазера как бы «отбирается» из изначального «светового шума». Этот отбор осуществляют зеркала резонатора. Можно сказать, что оптический резонатор в известном смысле упорядочивает бурно развивающиеся в активном элементе процессы вынужденного испускания, инициированные спонтанно родившимися фотонами; он как бы направляет эти процессы в «нужное русло» и в итоге формирует лазерный луч.
Можно видеть, таким образом, что оптический резонатор играет в лазере принципиально важную роль. Сама по себе среда, в которой создана инверсная населенность уровней (и где, следовательно, вынужденное испускание света преобладает над его поглощением), может работать только как усилитель света. Чтобы превратить усилитель в генератор света, т. е. получить лазер, необходимо поместить эту среду внутрь оптического резонатора.
Теперь, когда мы выяснили, как работает лазер, вернемся к идее гиперболоида инженера Гарина. Напомним: там были два зеркала, имеющие форму гиперболоидов, обращенных друг к другу вогнутыми сторонами. В принципе эти два зеркала могли бы составлять оптический резонатор. То, что зеркала не плоские, в данном случае непринципиально; в большинстве лазеров зеркала как раз не плоские (чаще всего они сферические). Принципиально другое-то, что у Гарина между зеркалами ничего нет. Чтобы получить нечто, похожее на лазер, Гарин должен был бы поместить свои знаменитые угольные пирамидки между зеркалами, т. е. внутри резонатора. Впрочем, и это не решило бы проблемы создания лазера. Ведь в веществе пирамидок не были «предусмотрены» активные центры с метастабильным верхним рабочим уровнем, который бы «перегружался» за счет энергии, выделяющейся при горении пирамидок. В гаринских 104
пирамидках не было инверсно населенных уровней и, значит, вынужденное испускание света не могло здесь преобладать над его поглощением. В лучшем случае эти пирамидки могли бы использоваться как источник вспомогательного излучения для накачки некоего активного элемента. Итак, как мы убеждаемся, принцип работы фантастического гиперболоида инженера Гарина не имеет в действительности ничего общего с принципом работы лазера.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ФИЗИКА ЛАЗЕРА:

- Популярная физика -