66

Квантовая оптика Введение по теме 74. Лазеры

Квантовые свойства света проявляются при испускании и поглощении его веществом. Количественными характеристиками этих процессов являются спектры испускания и поглощения. Вид спектров поглощения и испускания зависит от природы вещества, его агрегатного состояния, температуры. Спектры каждого элемента имеют очень много линий, возникающих при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой.

При этих переходах рождаются или исчезают кванты электромагнитного излучения фотоны, у которых нет ни массы, ни электрического заряда. В вакууме фотон распространяется со скоростью света С = 3 10⁸ м/с. Энергия фотона равна разности энергий уровней между которыми происходит переход:

h= Е_n  Е_m .

Видно, что испускается фотон только возбужденными атомами. Излучая фотон, атом теряет энергию. Процесс испускания может быть как самопроизвольным (спонтанным), так и вынужденным (индуцированным).

Спонтанное излучение происходит без внешнего воздействия на атом и обусловлено только неустойчивостью его возбужденного состояния, из-за которой атом рано или поздно освобождается от энергии возбуждения путем испускания фотона. Различные системы спонтанно испускают фотоны независимо друг от друга в различных направлениях. Это излучение не когерентно.

Индуцированное излучение вызывается воздействием на атом внешней электромагнитной волны с резонансной частотой (рис.1.):

	 =( Еn  Еm)/h В отличие от спонтанного в каждом акте индуцированного излучения участвуют два фотона. Один, идущий от внешнего источника, воздействует на атом, не поглощаясь при этом. Другой фотон испускается атомом в результате этого воздействия.
Рис.1

Характерной чертой индуцированного излучения является идентичность испущенного фотона с индуцирующим, внешним. Они имеют одно и то же направление распространения, поляризацию, частоту и фазу, т.е. строго когерентны.

Атомы не только испускают, но и поглощают фотоны с резонансными частотами. При поглощении атомы возбуждаются, т.е. переходят на более высокий энергетический уровень. В отличие от испускания поглощение фотонов всегда является индуцированным процессом, происходящим только в поле внешнего излучения. В каждом акте поглощения исчезает один фотон, и его энергия передается атому.

Слово ЛАЗЕР составлено из первых букв полного названия явления "усиление света путем испускания вынужденного излучения" (laser - light amplification by stimulated emission of radiation). Рассмотрим явление когерентного усиления излучения веществом.

Пусть вещество находится в состоянии теплового равновесия. Тогда распределение атомов или молекул по энергиям описывается формулой Больцмана:

, где N_n  число частиц на уровне с энергией Е_n, или заселенность n-го уровня. Константа А определяется условием нормировки:

где N  полное число частиц в системе, i  число возможных энергетических уровней одной частицы. Состояние частицы с наименьшим из возможных значением энергии Е₀ называется основным состоянием. Основное состояние является стационарным, так как при отсутствии взаимодействия с другими частицами или с излучением частица находится в этом состоянии неограниченно долгое время. Отношение заселенностей возбужденного и основного состояний всегда меньше единицы:

<1

Эйнштейн показал, что вероятности индуцированных переходов сверху вниз (излучение) dW_no и снизу вверх (поглощение) dW_on одинаковы, тогда в состоянии теплового равновесия число поглощенных квантов dn_погл будет больше числа излученных dn_изл :

, ,

>1

Это означает, что излучение, проходящее через вещество, будет ослабляться. Чтобы при прохождении через вещество интенсивность излучения возрастала, необходимо, чтобы заселенность состояния с большей энергией была бы больше заселенности состояния с меньшей энергией. Такое состояние вещества называется состоянием с инверсной заселенностью. В состоянии инверсной заселенности тепловое равновесие вещества нарушено.

Проходя через вещество с инверсией заселенности, например двух энергетических уровней, излучение пополняется фотонами, возникающими в результате переходов между этими уровнями. В результате происходит когерентное усиление излучения на определенной частоте. Вещество с инверсной заселенностью называется активной средой. Существует два основных метода получения инверсной заселенности. В одном из них участвуют два уровня - основной и возбужденный. Однако чтобы эта простейшая схема работала, необходимо перевести более 50% атомов из основного состояния Е₀ в возбужденное Е₁. Во втором случае действие лазера осуществляется между двумя возбужденными состояниями. Получить инверсную заселенность таким способом гораздо легче, особенно, если возможна быстрая релаксация нижнего возбужденного состояния Е₁ в основное.

Чтобы создать активную среду, необходимо затратить энергию. Этот процесс называется накачкой. Существуют различные способы накачки: оптический, электрический, химический.

Рассмотрим работу гелий-неонового лазера, рабочим веществом которого является смесь этих газов в соотношении от 1:5 до 1:15 при общем давлении в несколько мм рт. ст. Накачка производится высоковольтным тлеющим разрядом. При низких давлениях, обычных для газовых лазеров, электроны, возникающие при разряде, приобретают высокую энергию и при столкновении с атомами возбуждают их. Атомы гелия возбуждаются в метастабильное состояние E₂, обладающее большим временем жизни порядка 10^-3 с (рис.2). Поскольку излучательные переходы с этого уровня запрещены, происходит накопление возбужденных атомов гелия. Из-за близости энергий уровня E₂ гелия и E₄ неона происходит резонансная передача энергии при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона. Время жизни E₄ состояния неона равно 10^-6 с, а состояния E₃ -10^-8с. В итоге это приводит к инверсной заселенности уровня E₄ неона относительно уровня E₃, что обусловливает возникновение индуцированного излучения.

Рис.2

Откуда берется первоначальный фотон, движущийся вдоль оси резонатора и обладающий энергией в точности соответствующей переходу E₄  E₃? Этот фотон возникает в результате спонтанного перехода E₄  E₃ атома неона. Из-за равновероятности направлений спонтанного излучения всегда найдется фотон, движущийся вдоль оси резонатора.

Скорость индуцированного перехода пропорциональна плотности потока падающего излучения. Увеличение плотности усиливаемого излучения обеспечивается помещением активной среды в оптический резонатор. Фотоны, отражаясь от зеркал, многократно проходят через возбужденное рабочее вещество, вызывая индуцированное излучение (рис.3). Газоразрядная трубка (1) замкнута с торцов прозрачными пластинками (окнами), расположенными под углом Брюстера к оси трубки. Такая установка окон обеспечивает линейную поляризацию лазерного излучения. При большом отношении длины резонатора к диаметру трубки с рабочим веществом через активную среду многократно приходят и, следовательно, усиливаются лишь те лучи, которые распространяются под малым углом к оси лазера. Этим обеспечивается очень малая расходимость лазерного луча.

Рис.3 Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало; 5 – сферическое зеркало