Механизм образования лазерного луча

Слово «лазер» (составлено из начальных букв английского словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) в переводе на русский язык означает «усиление света посредством вынужденного испускания». Принцип работы лазера основан на сложных физико-химических процессах. Существуют два принципиально разных процесса испускания света атомами и молекулами вещества: самопроизвольное и вынужденное излучения.

Самопроизвольное, или спонтанное, излучение имеет место при переходе атома или молекулы из возбужденного состояния в нормальное и обусловлено стремлением атомов и молекул иметь минимум энергии.

Как известно, энергия атома квантуется, т.е. атом может иметь не любые, а только некоторые, вполне определенные значения энергии, называемые энергетическими уровнями. Атомы вещества могут находиться как в нормальном состоянии (соответствующем минимальному уровню энергии Ei), так и в возбужденном состоянии (соответствующем более высокому энергетическому уровню Ei) (рис. 6.2, а). При переходе атома из возбужденного состояния 2 в нормальное состояние 1 происходит испускание частицы света — фотона, несущего квант (порцию) энергии Е = hv2,i, равную разности энергий атома на уровнях Е1 и Ei (рис. 6.2, б).

Таким образом, частота v2,i и соответственно длина волны самопроизвольного спонтанного излучения зависят и определяются разностью энергий атома в возбужденном и нормальном состоянии. Однако каждый акт самопроизвольного спонтанного излучения атома, являясь принципиально возможным, не является обязательным и как любой случайный процесс не согласуется ни по времени, ни по направлению, ни по фазе с актами испускания света другими атомами, поэтому спонтанное излучение является некогерентным (см. с. 73) и имеет малую интенсивность.

В лазерах возбужденные атомы, находящиеся на уровне Ег, переходят в нормальное состояние на уровень Е практически одновременно и синхронно: роль регулирующего «спускового механизма», который сталкивает в нужный момент атомы с верхнего энергетического уровня Ег на нижний Е, играет так называемое «резонансное» излучение.

Резонансным называется излучение, которое распространяется вдоль оси активного вещества и имеет ту же частоту и фазу, что и принципиально возможное спонтанное излучение (рис. 6.2, в).

Резонансное излучение повышает вероятность спонтанного излучения: оно превращает принципиально возможные (случайные, несогласованные) акты испускания света возбужденными атомами в практически необходимые, вынужденные и управляемые процессы. Образующиеся вынужденные фотоны (Лгвыи. инд) являются точной копией резонансных фотонов (йгвн. рез). Ввиду того, что каждый первичный резонансный фотон индуцирует переходы в нормальное состояние сразу множества возбужденных атомов, образуется лавина вторичных фотонов: они летят в одном направлении (в направлении первичного фотона —вдоль оси), имеют одинаковую частоту и согласованы по фазе (рис. 6.2, г).

Таким образом, возникает вынужденное индуцированное излучение активного вещества, которое является когерентным монохроматичным (все фотоны имеют частоту V2,1), узконаправленным (вдоль оси) и имеет высокую интенсивность (лавина электронов).

Из сказанного следует, что интенсивный лазерный луч образуется при выполнении двух условий.

• 1. Наличие в активном веществе избытка возбужденных атомов, способных стать источником вынужденного излучения. Такое состояние системы, при котором концентрация возбужденных атомов с энергией Е2 значительно превышает концентрацию нормальных атомов с более низкой энергией Ei, называется инверсным.

Инверсное состояние активного вещества достигается путем «подкачки» энергии извне, например, путем воздействия внешнего вспомогательного излучения от газоразрядной лампы, электрического разряда в газе, радиоактивного излучения и т.д. Эта внешняя энергия «подкачки» сообщает атомам энергию, равную Ег — Ei, и переводит их в возбужденное состояние.

• 2. Наличие резонансного излучения, распространяющегося вдоль оси активного вещества, находящегося в инверсном состоянии, может быть достигнуто двумя способами.

Роль резонансного излучения играет внешний световой импульс от источника, излучение которого требуется усилить. Этот импульс должен состоять из первичных фотонов с энергией hv2,1, аналогичных вторичным фотонам, испускаемых возбужденными атомами активного вещества. Этот способ используется в квантовых усилителях света, служащих не для создания, а только для усиления излучения.

Другой способ, когда роль резонансного излучения играют первичные спонтанные фотоны, которые образовались внутри активного вещества и случайно оказались направленными вдоль его оси .

Активный элемент лазера, например твердый цилиндрический стержень, помещается между параллельными зеркалами, представляющими собой простейший оптический резонатор. Спонтанный фотон, случайно образовавшийся в направлении оси активного элемента (стержня), например в точке А (рис. 6.3), двигаясь вдоль стержня, «обрастает» индуцированными вторичными фотонами и превращается в световой импульс; дойдя до зеркала резонатора и зеркально отразившись от него, этот импульс снова проходит по оси стержня, но уже в обратном направлении и соответственно еще больше усиливается за счет индуцируемых «вынужденных» фотонов. На пути от зеркала к зеркалу лавина фотонов «обрастает» все новыми и новыми индуцированными «вынужденными» фотонами и процесс становится цепным: чем больше многократных отражений испытывает световой импульс, двигаясь вдоль оси, тем больший путь он пройдет внутри активного вещества лазера и тем больше в нем накопится фотонов. При достижении определенной мощности световой импульс покидает резонатор через выходное зеркало в виде лазерного луча (рис. 6.3, снизу).

Из лазера испускаются только световые волны тысячекратно отраженные и не испытывавшие существенного отклонения от оси прибора.

Спонтанные фотоны, которые родились не в направлении оси стержня, а в других направлениях (например, фотоны, образовавшиеся в точках В, С, D, Е, F, G), не смогут образовать лавину индуцированных фотонов: на их пути нет отражающих зеркал резонатора и соответственно они проходят сравнительно короткий путь, недостаточный для образования мощного светового импульса, способного покинуть лазер (рис. 6.3). Это предотвращает появление некогерентного излучения, отличающегося от лазерного луча.

Таким образом, лазерное излучение зарождается из спонтанного излучения благодаря избирательности усиления: усиление излучения происходит лишь в одном направлении — вдоль оси активного элемента. Оптический резонатор упорядочивает бурно развивающиеся в активном элементе процессы вынужденного испускания фотонов, направляет эти процессы в «нужное русло» и формирует лазерный луч.

Активный элемент, который приведен «накачкой» в инверсное состояние (т.е. вынужденное испускание света преобладает над поглощением света), может работать только как усилитель света. Чтобы превратить усилитель света в генератор света (т.е. получить лазер), необходимо поместить этот элемент внутрь оптического резонатора.