Когерентная оптоэлектроника. Принцип работы лазера.

Для эффективного использования света в технике связи необходимо добиться синхронного и синфазного излучения атомов, т.е. необходимо получить когерентное излучение. Впервые идею такого излучения высказал в 1939г. советский учёный В.А.Фабрикант; упрощённую модель получения когерентного излучения можно представить в следующем виде: Пусть имеется цепочка атомов, вытянутых в 1 прямую линию, и необходимо, чтобы все эти атомы находились в возбуждённом состоянии. Внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению расположения атомов, вызовет излучение фотона из этого атома. Причём, излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление движения, что и ударный фотон. В результате будет двигаться уже 2 фотона, один из них ударит следующий атом, который даст излучение ещё 1 фотона и уже будет двигаться 3 фотона и т.д. В результате будет двигаться определённое количество фотонов и световой поток увеличится в огромное количество раз. Теоритически, коофициент усиления может достигать гигантских значений до 10²⁰. В результате усиления будет двигаться огромное количество фотонов имеющих одинаковую энергию и одно направление движения. Т.е. излучение будет когерентным. Данная описанная система получения когерентного излучения довольно упрощённая, но она наглядно поясняет усиление света. В действительности, кроме атомов, находящимися в возбуждённом состоянии всегда имеются атомы, находящиеся в не возбуждённом состоянии. Эти атомы поглощяют энергию ударившихся в них фотонов и тем самым уменьшают энергию выходного когерентного излучения, т.е. уменьшают усиление света. Если число возбуждённых атомов будет равно числу невозбуждённых, то сильного усиления света получить невозможно. Неоюходимым условие получения когерентного излучения является то, что число возбуждённых атомов должно превышать число не возбуждённах. Для этого должна быть проведена так называемая инверсия населённости энергитических уровней, т.е. другими словами, атомы, электроны которых находятся в не возбуждённом состоянии на более низких орбитах, необходимо переместить на более высокие энергитические уровни, т.е. возбудить атомы. Для того, чтобы усиление света проходило в течении необходимого промежутка времени, всё это время необходимо сохранять инверсионное состояние вещества, т.е. всё это время, число возбуждённых атомов должно превышать число не возбуждённых атомов. Для этого к данному веществу, которое называется активной средой или рабочим веществом необходимо подводить энергию для возбуждения атомов. Процесс подведения энергии каким-либо способом называется накачкой. Устройство, позволяющее получить такое усиление света получило название лазер, которое произошло от начальныз букв ангийских слов: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света в результате вынужденного излучения.

Свойства лазерного излучения.

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов и такое излучение имеет следующие особенности: 1)Малая расходимость лазерного излучения (#Диаметр лазерного пучка 1см, длина волны 5 10^-5 см, угол расходимости 5 10^-5 радиан или 0,003⁰. С помощью собирающих линз и зеркал, лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 0,5 мкМ. При этом, угол расходимости уменьшается до 10^-7 радиан. Если такой луч послать на луну, то он высветит на её поверхности круг, диаметром 30М), 2)Высокая монохромность т.е. практически излучение имеет 1 единственную частоту и соответсвующую ей единственную длину волны. Это можно объяснить тем, что у всех фотонов в лазерном луче одинаковая инверсия, 3)В широких пределах можно управлять длительностью излучения.