Основные свойства лазерного луча

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индуцированное (вынужденное) излучение — излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома  с фотоном атом испускает еще  один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация  и направление распространения  точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Именно индуцированное излучение  является физической основой работы лазеров.

Слово «лазер» образовано начальными буквами английских слов light amplification by stimulated emission of radiation («усиление света с помощью вынужденного излучения»). 

Основные свойства лазерного  луча.

 
 
Лазеры являются уникальными источниками  света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники  света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся  в различных частях оптического  квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. 
 
Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). 
 
Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что 
 
разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн. Тогда источники волн можно назвать когерентными. 
 
Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е₁ - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна  
 
Е = Е₁ + Е₂ 
 
Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна  
 
I = E². 
 
Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем 
 
I = I₁ + I₂ + I₁₂, 
 
где I₁ - интенсивность света первого пучка, 
 
I₂ - интенсивность света второго пучка. 
 
Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно 
 
I₁₂ = 2 (E₁ * E₂). 
 
Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I₁ + I₂, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I ¹ I₁ + I₂. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I₁ и I₂. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой. 
 
С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. 
 
Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.  
 
Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения. 

Применения. Особенности лазерного излучения и разнообразные способы его использования помогли сдвинуться с мертвой точки во многих разделах современного знания и способствовали развитию различных областей науки, техники и производства: физики (в основном оптики), фотографии, связи, дальнометрии, топографии, термоядерного синтеза, медицины, химии, порошковой металлургии и др. Лазеры продолжают внедряться почти во все отрасли народного хозяйства; непрерывно открываются новые возможности их применения.

 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЛАЗЕР

 

 
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРА в  обследовании и хирургии глаза. Мощными  лазерными импульсами (длительностью  порядка миллисекунды и меньше) "приваривают" отслоившуюся сетчатку.

 
Принцип действия. Свет - особая форма движущейся материи. Он соткан из отдельных сгустков, именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном), которые используются в декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных энергетических состояний - либо в основном (с минимальной энергией), либо в каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы - с повышением или понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными - вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении число квантов уменьшается и интенсивность света убывает, а энергия атомов возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный эффект - усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов). Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта операция так и называется - накачка. Типы лазеров различаются в основном по видам накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде. Рис. 1 и 2 поясняют действие рубинового лазера. Посеребренные торцы цилиндрического стержня из искусственного рубина служат зеркалами (рис. 1). Одно из них покрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно полупрозрачно и через него излучается лазерный свет. Рубин - кристалл, состоящий из окиси алюминия с примесями окиси хрома. Атомы алюминия и кислорода не играют определяющей роли в лазерной генерации; главные энергетические переходы реализуются в хроме. При возбуждении атомы хрома переходят из основного состояния на один из двух уровней возбуждения, обозначенных F1 и F2 (рис. 2). Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не происходит, а высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке окиси алюминия, где и рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня E атом хрома излучает вынужденно и переходит вследствие этого на основной уровень. Кванты, эмиттированные атомами хрома, многократно отражаются между посеребренными зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесс нарастает лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света. Полупрозрачное зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно и побольше пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения - ок. 80%. При самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E не более 10-7 с, а при вынужденном - в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у лазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучение огромного числа возбужденных атомов активной среды .

 
Рис. 1. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР - усовершенствованная схема конструкции  Т.Меймана (1960). Основные его элементы - цилиндрический рубиновый стержень с плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в устройстве Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 - посеребренный торец стержня (глухое зеркало); 2 - рубиновый стержень; 3 - охлаждающая жидкость; 4 - газоразрядная лампа накачки; 5 - кожух (трубка) охлаждения; 6 - слабо посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).

 

 
Рис. 2. ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРА начинается с возбуждения атомов хрома и  их переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E. Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень.

 
Типы лазеров. Лазерное излучение реализовано во многих активных средах - твердых телах, жидкостях и газах. 
Твердотельные лазеры с оптической накачкой. Лазерный эффект в твердом теле осуществляется благодаря наличию в нем примеси (например, окиси хрома в случае рубина), концентрация которой - единицы процентов. Примеси неодима обеспечивают лазерную генерацию многих твердых структур, из которых чаще используются стекло и алюмоиттриевый гранат (АИГ). Такие лазеры излучают короткие импульсы очень высокой мощности, пиковое значение которой ограничено сверху лишь световым пробоем в активной среде, вызывающим ее повреждение (например, локальное плавление). Лазер на стекле с неодимом (диаметр стержня 10 см) при длительности импульса в одну миллиардную секунды может обеспечить пиковую мощность около триллиона ватт. У более длительных импульсов пиковая мощность меньше. 
Газовые лазеры. Многие газы и газовые смеси при возникновении в них электрического разряда начинают генерировать лазерное излучение. Их пучки характеризуются очень высокой степенью когерентности и малой расходимостью, близкой к теоретическому пределу; по этим параметрам они выгодно отличаются от пучков твердотельных лазеров. Для решения прикладных задач успешно применяются лазеры с газовой смесью в качестве активной среды (углекислого газа с азотом и гелием, гелия с неоном или криптона со фтором). Лазер первого типа излучает в инфракрасной области спектра; в непрерывном режиме генерации у него высокий КПД и большая выходная мощность. Его широко применяют при резании и сварке различных материалов. Гелий-неоновый лазер излучает видимый (красный) свет; его используют во многих исследовательских и образовательных программах. Лазер на криптоне со фтором - наиболее эффективный из генераторов излучения в ультрафиолетовой области спектра. 
Химические лазеры. В ходе некоторых химических реакций выделяется много энергии, и в конечных продуктах таких реакций оказывается достаточно возбужденных атомов, чтобы осуществить лазерную генерацию. Наиболее перспективным из лазеров этого типа представляется генератор на фтороводороде, образующемся при прямом взаимодействии атомарных компонентов. Из-за особенностей природы химических лазеров их непрерывная генерация затруднительна. Но этот недостаток восполняется достоинством их импульсных модификаций - они требуют малых энергетических затрат, а составляющие активной среды химических лазеров легко транспортируются на отдаленные объекты, где есть проблемы с сетевым питанием (например, космические летательные аппараты). Лазер на фтороводороде может излучать импульсы очень большой энергии (в несколько тысяч джоулей) при весьма скромном блоке питания. 
Полупроводниковые лазеры. Если через полупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать электрический ток, то можно добиться лазерного эффекта. Габариты и выходная мощность полупроводниковых лазеров малы, но их КПД высок. Такие лазеры делают в основном на арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в системах связи. См. также ТРАНЗИСТОР. 
Лазеры на красителях. Многие жидкие органические красители генерируют лазерное излучение при накачке ультрафиолетовым излучением, газоразрядными импульсными лампами и лазерами (обычно газовыми) непрерывного действия. У лазеров на красителях два важных достоинства: во-первых, они способны перестраиваться по длине волны и, во-вторых, могут излучать сверхкороткие импульсы - длительностью менее одной триллионной доли секунды. В связи с этим лазеры на красителях широко применяются в методах спектроскопии, в том числе в спектральном анализе с временным разрешением.