Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Оптичні квантові генератори (лазери)

Оптичні квантові генератори (лазери)

ФІЗИКА

Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА

Розділ 15 БУДОВА АТОМА

15.13. Оптичні квантові генератори (лазери)

Крім самодовільних (спонтанних) переходів електронів з одного енергетичного рівня на інший спостерігаються також вимушені, або індуковані, переходи, зумовлені дією на атом випромінювання, що падає на нього. Спонтанні переходи здійснюються лише в одному напрямі – з вищих рівнів на нижчі. Вимушені переходи можуть з однаковою ймовірністю відбуватись як в одному, так і в іншому напрямі. У разі переходу на більш високий рівень атом поглинає

випромінювання, що падає на нього. Вимушений перехід з одного із збуджених рівнів на більш низький енергетичний рівень супроводжується випромінюванням фотона додатково до того фотона, під дією якого відбувся перехід. Це додаткове випромінювання називають вимушеним, або індукованим.

Вимушене випромінювання має дуже важливу властивість. Напрям його поширення точно збігається з напрямом поширення зовнішнього випромінювання, яке спричинює перехід. Частоти, фази і стани поляризації вимушеного і зовнішнього випромінювання також збігаються. Отже, вимушене і зовнішнє випромінювання є когерентним. Цю особливість

вимушеного випромінювання покладено в основу дії підсилювачів і генераторів світла, які називають лазерами.

Уперше принцип підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання запропонував В. О. Фабрикант 1939 р. Використання вимушеного випромінювання для підсилення електромагнітних хвиль у мікрохвильовому діапазоні запропонували 1954 р. незалежно радянські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров та американський вчений Ч. Таунс*. Відповідні прилади, що працюють в сантиметровому діапазоні хвиль, дістали назву лазерів.

Перший лазер створив Т. Мейман (США) 1960 р. Іноді лазери називають оптичними квантовими генераторами.

Для підсилення світла потрібно, щоб на вищому рівні ЕJ було більше електронів, ніж на нижчому, тобто NJ > Ni при ЕJ – > Еі. Вважають, що в цьому разі відбувається інверсна (зворотна) заселеність рівнів Еі і ЕJ. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі з частотою ця хвиля буде не слабшати, а навпаки, підсилюватись за рахунок індукованого випромінювання. Під її дією атоми узгоджено переходитимуть у нижчі енергетичні стани, випромінюючи хвилі, що збігаються за частотою і фазою з падаючою хвилею.

Розроблено чимало методів створення інверсної заселеності енергетичних рівнів. У лазерах, в яких робочою речовиною є люмінесцентні кристали (наприклад, рожевий рубін, який звичайно містить 0,05 % хрому), застосовують для цього оптичне збудження. В газах (наприклад, суміші гелію і неону) крім оптичного нагнітання можна використовувати також зіткнення електронів з атомами та між атомами. У напівпровідникових лазерах інверсна заселеність досягається проходженням через напівпровідник електричного струму.

Розглянемо принцип дії рубінового лазера (рис. 15.13), робочим елементом якого є рубіновий циліндр діаметром 5… 10 мм і завдовжки 20… 100 мм. Плоскі торцеві кінці циліндра паралельні і мають високий ступінь точності. Одна основа циліндра є дзеркальною (покрита сріблом), друга – частково дзеркальною. В деяких випадках часткове пропускання світла досягається виготовленням отвору в посрібленій поверхні кристала. Для оптичного нагнітання вздовж кристала розташовують потужну імпульсну лампу. Поглинання світла створює в йонах хрому інверсну заселеність. Тому спонтанне випромінювання фотонів веде до швидкого посилення інтенсивності світлового променя, причому це світло зазнає багатократного відбивання між дзеркальними поверхнями. Внаслідок цього помітно посилюються лише ті промені, які поширюються паралельно осі циліндра. Крізь напівпрозору поверхню світло виходить із лазера у вигляді інтенсивного різко напрямленого пучка. Ця поверхня є фронтом світлової хвилі. Ширина спектральної лінії випромінювання рубінового лазера (λ = 694,3 нм) становить близько 0,01 нм. Густина потоку світлової енергії дорівнює 104…107 кВт/м2. Фотони, що виникають при спонтанному випромінюванні, при проходженні крізь кристал індукують додаткове випромінювання, і внаслідок лавиноподібного утворення фотонів лазер дає інтенсивний світловий потік. Робочу речовину лазера охолоджують до низьких температур, наприклад до температури рідкого азоту (77 К), щоб уникнути переходів електронів з основного рівня на більш енергетично високий унаслідок теплових коливань кристалічної гратки.

Рис. 15.13

Важливою особливістю квантових генераторів є те, що вони дають когерентне випромінювання. На відміну від газового рубіновий лазер працює лише в імпульсному режимі, віддаючи в короткому імпульсі неперервно накопичувану енергію. Внаслідок цього при імпульсі випромінювання з тривалістю періоду 10 с лазер віддає потужність, що досягає десятків і сотень мільйонів ватів.

Розбіжність пучка когерентного випромінювання лазера мізерна. Можна легко досягти розбіжності близько кутової хвилини, мабуть можна досягти і кутових секунд. Це робить випромінювання лазерів дуже перспективним для здійснення далекого зв’язку, в тому числі і міжпланетного: при малій розбіжності потоку випромінювання густина енергії зменшується залежно від відстані дуже повільно. До того ж велика частота випромінювання (для лазерів 1014…1015 Гц, яка перевищує частоту радіохвиль у 107…109 разів) дає змогу передавати одним каналом величезний обсяг інформації. Класичний дослід Майкельсона, повторений із застосуванням лазерів, дав змогу одержати точність, що перевищує точність, якої досяг А. Майкельсон, приблизно в п’ять тисяч разів.

Лазери широко використовують у науці, техніці, медицині. За робочу речовину в лазерах крім кристалів рубіну використовують гази, рідини, напівпровідники. В першому рубіновому лазері випромінювачами були домішкові йони хрому, які перетворюють кристал оксиду алюмінію в рубін. У твердих і деяких рідинних лазерах як випромінювачі використовують домішкові йони рідкісноземельних елементів. У газорозрядних лазерах випромінювачами є атоми, iони і навіть молекули неорганічних сполук, такі як діоксид карбону. Лише в напівпровідникових лазерах під час випромінювання світла використовується сам напівпровідник. Установлено, що складні молекули органічних барвників також можна примусити випромінювати когерентне лазерне світло. Активні молекули в цих лазерах звичайно містяться у водних і спиртових розчинах.

Прикладом практичного застосування лазерів є голографія – особливий спосіб фіксування на фотопластинці структури світлової хвилі, яка відбивається від предмета. При освітленні пластинки (голограми) пучком світла зафіксована на ній хвиля відновлюється майже в первісному вигляді. Отже, зорове відчуття при сприйманні відновленої хвилі оком практично таке саме, як і при спостереженні безпосередньо предмета (за винятком його забарвлення).

Голографію винайшов 1947 р. англійський фізик Д. Габор. Проте здійснення ідеї Д. Габора стало можливим лише після появи 1960 р. джерел світла високого рівня когерентності – лазерів. Вихідну схему Д. Габора вдосконалили американські фізики Е. Лейт і Дж. Упатніекс, які одержали перші лазерні голограми (1963 р.). Радянський вчений Ю. М. Денисюк 1962 р. запропонував (а пізніше здійснив) оригінальний метод фіксування голограм на товстошаровій емульсії. Цей метод має чимало особливостей, зокрема дає змогу одержати кольорове зображення предметів.

_________________________________________________________________

*У 1964 р. М. Г. Басову, О. М. Прохорову і Ч. Таунсу за ці роботи було присуджено Нобелівську премію.