Газовые лазеры

ПЛАН:

1.Особенности лазерного излучения.

2.Природа лазерного излучения.

3.Разновидности лазеров. Газовые лазеры.

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадца-того века было открытие физических явлений, послуживших основой для соз-дания удивительного прибора оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” состав-лено из первых букв английского словосочетания, означающего ”усиление све-та в результате вынужденного излучения”.

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимо-действии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фо-тона с энергией возбуждения атома (или молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первич-ного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправ-ленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов не-обходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невоз-бужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными ато-мами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атома-ми происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фо-тонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного со-стояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выде-ленность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентич-ных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик

В.А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большо-го числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, ка-ждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном пер-воначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим по-токи квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным пер-воначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью мож-но было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населен-ность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энер-гией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы бу-дем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, свя-занный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фо-тоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие мно-гократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать неболь-шим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фото-нов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропус-кании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может ока-заться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практи-ке это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в боль-шинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной насе-ленностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического из-лучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был создан первый действующий квантовый генератор оптического диапазона – лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного вы-ше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристал-лах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия АL2О3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина по-глощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное со-стояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происхо-дит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основ-ным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими ин-терференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в ру-бине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на тор-цах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульс =0,0001с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового ла-зера около 1ДЖ.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстро-действующего электрического затвора можно “включить “ обратную связь (на-строить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии насе-ленностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и ин-версия населенности “снимется” вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается ги-гантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса оста-нется приблизитепьно на том же уровне, что и в режиме “свободной генера-ции”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.

Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конеч-ной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой ла-вины будет возрастать прежде всего в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем шири-на самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходи-мость луча менее 0,00001 радиана, т.е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принци-пе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с ма-ленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с шириной спектра, соответствующей ширине спектра лазерного излуче-ния. Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую рас-ходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемого черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастиче-ской цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллио-нов градусов! Удивительное свойство лазерного луча - его высокая эффектив-ная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследова-телями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенно-сти, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой