15
ee на расстоянии, большем, чем размеры фокусирующего прибора. Иное дело лазеры. После возникновения квантовой электронки и создания лазеров *) появился возможность концентрации мощных световых потоков в виде лучевых шнуров.
Слово лазер является сокращенной записью английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которая переводится так: усиление света путем индуцированного испускания излучения. Попробуем разобраться, что означает эта фраза. Мы знаем, что свет — это электромагнитное излучение, распространяющееся в виде волны и несущшее энергию. Световая волна — быстроперенняя электромагнитная волна, распространяющаяся в вакууме со скоростью . Основными характеристиками волнового процесса является: длина волны — расстояние между двумя гребнями бегущей волны и частота — величины, показывающая, сколько раз в секунду в какой-то фиксированной точке пространства возникает гребень волны. Длина световой волны и ее частота связаны со скоростью света простым соотношением .
Видимому свету соответствует волны длиной от до () и частоты от до (частота — одно колебание в секунду).
В световой волне периодические изменения в пространстве и во времени испытывают электрическое и магнитное поля, подобно тому как это происходит в радиоволне. Однако обычная световая волна, в отличие от радиоволны, не является монохроматической. О волне говорят как о monохроматической, когда периодические изменения электрического и магнитного волны излучений, исходящих от разных источников, могут, вообщество, совпадать. Если при точном совпадении частот гребень одной волны все время совпадает с гребнем другой, то происходит удвоение амплитуды результатирующей волны. В этом случае говорят, что волны складываются в фазе. Фазовые соотношения между светами характеризуют рас-
16
положение гребней одной волны по отношению к гребням другой волны. Если это взаимное расположение остается все время неизменным, то волны называются когерентными. Слово «когерентность» буквально означает сцепленность, связность. Понятие когерентности играет большое роль и широко используется в физике.
Общная световая волна не является монохроматической. Дело в том, что свет, который мы видим, — солнечный свет, свет ломинесcentных ламп или ламп накаливания — излучается большим количеством отдельных независящих излучателей (атомов), каждый из которых испускает свет вне какой-либо связи с тем, испускают или не испускают свет его соседи. В результате такогоxaотическая испускания световые волны, из которых состоит наблюдаемое нами излучение, не когерентны друг друга, а результатующая световая волна не является монохроматической. Именно немонохроматичность и некогерентность объясняется света преляетсяуют концентрации световой энергии в лучевой шнур (отсюда — невозможность построить «гиперболюд инженера Гарина»).
Мы знаем, что свет испускается atomами. Именно atomы являются теми отделными независяными излучателями, о которых мы только что говорили. На atomном уровне представление светового излучения в виде непрерывной световой волны неправедливо. Atom может поглощать или излучать свет только в виде определенных порций световой энергии — световых квантов. Величина энергии квантов , где — постоянная Планка, а — частота света.
Энергия квантов видимого света заключита в пределах от до . Хотя эта энергия очень мала, квантовая природа света существенно проявляется во взаимодействии света с веществом. Вместе с тем свет не утратил свеющей волновой природы, проявляющейся во всех тех явлениях, где важны физические соотношения (сложение волн, формирование световых пучков и т. д.). Таким образом, свет обладает свойпростойчивым волновым и корпускулярным, то есть присущих частицам, свойства.
Итак, микроплучательми света является atomы, дающие в обычных условиях поток квантов некогерентного излучения. Очевидно, что излучение испускается atomами, обладающим некоторой избыточной энергией, так называемыми возбужденными atomами. Но возбужденный atom неустойчив, он может самопроизвольно без каких-либо внешних причины испускать квантов излучения. Актив самопроизвольного испускания происходит случайно. Такое самопроизвольное излучение носит нерегулярный,xaотический характер. Оно некогерентно. Но возможность излучения световой энергии не ограничивается только самопроизвольными процессами. Необходимо помнить, что внутренняя энергия atomов может принимать только некоторые определенные значения. Как говорят, atom может находиться только на том или ином энергиии. Переходы atomа с одного уровня на другой сопровождаются изменением его внутренней энергии. При переходе с нижнего уровня энергии на верхний atom поглощает энергцию, при переходе с верхнего на нижний atom отдает энергию. Эти переходы, следовательно, сопровождаются либо поглощением или излучаемого при переходе с уровня энергии на уровень , определяется формулой
Кроме самопроизвольных переходов atomов с верхнего уровня энергии на нижний, существуют удивительное явление индуцированного излучения, о котором дается А. Эйнштейн. Процесс индуцированного излучения от самопроизвольного отличяется прежде всего тем, что присходит не сам по себе, а под воздействием внешнего
17
по отношению к atomу излучения. При этом вторичные кванты неотличины от первичных. Они точно повторяют частоту и направление распространения perвичных квантов. Индуцированное излучение потому и называют индуцированным, что акты его испускания индуцируются (вызываются) внешним по отношению к atomу излучением. В результате, в отличие от самопроизвольного излучения многих atomов, индуцированное излучение корерентно.
Таким образом, в оптике имеется явление, пригодное для получения корерентного излучения. Это — индуцированное излучение. Но для одного atomа верятность индуцированного излучения при переходах с верхних уровней энергии на нижние равна верятности поглощения при переходах с нижних уровней на верхние. Для того чтобы индуцированное излучение превалировало над поглощением, надо на верхних уровнях иметь больше atomов, чем на нижних. А в условиях теплового равновесия дело обстоит как раз наоборот: на нижних уровних энергии atomов больше, чем на верхних (рис. 1). При взаимодействии излучения с такой системой atomов произойдет следующие. Частие излучения поглощается, и часть atomов перейдет на верхний уровень энергии (рис. 2). Если же система atomов так предварительно подготовлена, что на верхнем уровне энергии atomов больше, чем на нижнем, то при взаимодействии излучения
Рис. 1
Рис. 2
18
с такой системой atomов в силу эффектива индцированного испускания произойдет усиление исходного излучения, как это схематически показано на рисунке 3. В силу свойств индцированного излучения вторичное излучение усиливает первичное, является точной его копней. Вместе они составляют одну волну, амплитуда которой нарастает пропорционально числу актов индцированного испускания (рис. 4). Системы atomов, в которых хотя бы для двух уровней энергии существует такая ситuation, что верхний уровень энергии населен более нижнего, называется системами с инверсией населенности. Слово инверсия означает перевернуть, изменение нормального порядка вешей на обратный.
Так вот, основой квантовой электропики как науки в целом служит усиление индцированного излучения, и главным в лазерах является использование индцированного излучения в системах с инверсией населенностей для коректного усиления и генерации световых волн.
Здесь следует поддержнуть разницу усилением и генерацией. Оптический усилитель служит для того, чтобы увеличивать напряжение электрического поля световой волны, поступающей на его вход. На выходе усилителя должна быть получена более интенсивная, но точная входного излучения. В этом смысле оптический усилитель полностью подобен своему предшествнику — радио-усилитель. Оптический же генератор должен быть источником оптического излучения, зарождающегося непосредственно в генераторе и выходящего из него во внешнее пространство.
Для работы оптического генератора необходимо обратная связь. Она осуществляется следующим образом. Система atomов с инверSIием населенностей располагается между двумя строго паралельными друг другу зеркаlamми.
Рис. 4
19
В какой-то точке между зерканами самопроизвольно возникает излучение. Она распространяется в сторону зерка и по мере распространения усиливается. Дойя до зерка, световые волны отражаются и поворачивают назад. Если гребни отражены волн совпадают с гребнями падающих волн, то волны усиливают друг друга. Для этого расстояние между зерками должно быть кратно целому числу полувольн. Общно между зерками укладывают сотни тысяч полувольн. Излученная энергия накапливается в пространстве между зерками и воздействует на систему атомов, вызывая индуцированное излучение. Если мощность индуцированного излучения превышает мощность неизбежных потерь на нагрев зерка, рассеяние, а также на полезное излучение во внешнее пространство, то возникает незначующая световая волна. В силу свойств индуцированного излучения эта волна в высшей степени монохроматична. Все атомы работают синхронно. Так их заставляет работать обратная связь, осуществляя излучением, накопленным между зерками.
Для применения лазеров очень важно, что при индуцированном излучении вторичные кванты повторяют не только частоту, но и направление распространения первичных квантов. В результате лазерное излучение обладает не только высокой степень monохроматичности, но и идеальной направленностью. Таким образом, формирование светового шнура производит автоматически.
Прежде чем перейти к описанию собственно лазеров, завершим изложение основ квантовой электроники следующей группы аналогий. Представим себе трибуны большого стадияна, заполненные тысячи страстих больших квантов. Перед началом игры большики о чем-то говорят, что-то выкиривают, но каждый независимо друг от друга. Создается сильный ировный шум. Игра началась, все замерли. Тихо. А затем вдруг, начавшись где-то, нарастает и достигает оглушительной силы единующей крик «шай-бу, шай-бу». Все кричат в унисон, кричат синхронно, чем и достигается эффект, подобный лазерному.
В первом лазере был применен рубин — монокристалл оксис алюминия (Al₂O₃). В кристалле рубина часть атомов алюминия заменена atomами хрома. При концентрации около 0,05% примесь хрома придает рубину характерный розовато-красный цвет.
Инверсия населенностей в рубине достигается с использованием трех уровней энергии и вспомогательного излучения накачики. В методе трех уровней для увеличения числа атомов на верхнем энергетическом уровне или (что эквивалентно) для уменьшения их числа на нижнем уровня применяется мощное вспомогательное излучение, которое связывает один из рабочих уровней с третьим вспомогательным уровнем и перекачаивает atomы сизу вверх.
В настоящее время рекордные энергии и мощности в импульсе дают лазеры на рубине и лазеры на стекле с примесью неодима. Поэтому они представляют наиболее интерес.
Основной элемент лазера на рубине — кристалл синтетического рубина высокой однородности. Кристалл обично имеет форму цилиндра диаметром 0,4÷2 см и длиной 3÷20 см. Источником возбуждения является лампа-вспышка. Накача проискот следующим образом. Atoms хрома, которые до всыщки находились на нижнем невозбужденном уровне, благодаря поглощению зеленого или синего цвета, содержащого в излучении лампа-вспышки, переходят в возбужденное состояние (рис. 5). Время жизни атомов на верхнем возбужденном уровне мало (меее 10⁻⁷ сек). Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень, отдавая избыточную энергию решетке кристалла, то есть нагревая кристалл. На новом возбужденном уровне времени 10⁻³ сек. Поэтому этот уровень называется метасабильным.
20
него atoms переходят в основное невозбуженное состояние с испусканием кванта света в красной области спектра.
При достаточно мощной перебросить на metastабильный уровень достагоное количество частиц для создания сильной инверсии.
В качестве ламп накачки применяются мощные газоразрядные лампы. Вначале они делались в виде спирали, охватывающей кристалл. Сейчас, как правило, использует более мощные стержневые лампы, установливаемые параллельно кристаллу. Лампы работают в импульском режиме. Длительность импульса всышки составляет примерно долю секунды (1 мсек). Вспышка производится от батарей конденсаторов emкостью до 10 000 мкф, заряженных до несколько тысяч волт. При разряде через лампу конденсаторы в одном испульсе отделяют энергии вдесятки, а то и в сотни тысяч джойлей. Мощность накачки в импульсе может превышать десяти миллионов ватт.
Только часть энергии излучения лампы-вспышки, приходящая на зеленую и голубую части спектра, идет на возбужение юнов хрома. Остальная часть переходит в тепло.
Использование импульсного режима обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, трудно иметь источник света накачки большой мощности, работающий непрерывно. Во-вторых, кристалл сильно нагревается при длительном возбужении и теряет оптическую однородность.
Естественно, что при импульсной накачке генерация тоже носит импульсный характер. При этом полученная в кристалле инверсия может быть реализована двойко. Расстоярим обе возможности.
Пусть зеркала-отражатель настроены в резонанс и жестко закреплены. Тогда, как только на metastабильном уровне наконится достагоное количество частиц, начинается генерация, которая будет продолжаться до тех пор, пока накачка будет эффективна. Общно такая так называемая свободная генерация начинается через 100÷300 мсек после накада вспышки и продолжается 1 мсек.
В режиме свободной генерации большие кристаллы при мощной накачке дают в импульсе энергию до 1000 джойлей. Этому соответствуют импульсная мощность до миллионов ватт.
Другой режим достигается путем включения зеркал резонанса в тот момент, когда инверсия достига максимальной величины. Тогда все накапленные на metastабильном уровне частицы излучают практические сразу, и генератор выдает гигантский импульс излучения очень короткой длиныности 10⁻⁸÷10⁻⁹ сек со сравнительно небольшой энергией (около трех джойлей). Но так как эта энергия излучается в очень короткое время,
21
то максимум мощности имплуласа достигает значений 300 миллионов — 3 миллиарда ватт.
Здесь встает вопрос о коэффициенте полезного действия лазера (к. п. д.). Из приведенных оценок видно, что в лазерное излучение преобразуется лишь малая доля энергии накачики. В режиме свободной генерации к. п. д. рубинового лазера менее 1%, в режиме гигантских имплулов и того меньше.
В чем же тогда выиграш, который дает лазер?
Дело в том, что мы, проигрывая в количестве энергии излучения, неизмеримо выиграваем в его качестве. Это новое качество — монохроматичность и направленность — обусловленное свойством эфекта индуцированного излучения.
Длина волны излучения рубинового лазера равна 6943 Å = 6,943·10⁻⁵ cm. И в окрестности этой длины волны, в очень узком интервале с шириной порядка 0,1 Å, заключена все мощность лазера. Ширина же спектра излучения теплового источника видимого света составляет примерно 3000 Å, то есть в 30 000 раз больше.
Один из самых мощных тепловых источников света — наше Солнце — с одной квадратного сантиметра поверхности в видимом свете излучает мощность 8·10³ вт/cm². При этом на интервал длин волн в 0,1 Å приходит 0,2 вт/cm². А рублейные лазеры дают в этом интервале 10⁶ ÷ 10⁹ вт/cm²!
Соответствие электронские поля составляет 3·10⁴÷10⁶ вт/cm². Солнце в том же интервале длин волн создает поле 12 вт/cm².
Новое качество лазерного излучения можно проиллюстрировать следующим образом. Излучение Солнца в принципине не может нагреть какое-либо тело до температуры выше 6000°С. Световое излучение газорарядных ламп более ярких, чем Солнце, не способно нагреть тело до температуры выше 10 000°С. Но когда то же излучение газорарядных ламп, пусть даже с большой потере энергии, преобразовано в лазерное монохроматическое излучение со спектральной плотностью энергии в миллиарды раз больше исходной, то оно может нагреть тело до нескольких миллионов градусов.
Лазеры на кристаллах могут работать и в непрерывном режиме. Но бóльшие мощности дают, конечно, имплусливые лазеры.
Несколько особняком стоит газовые лазеры. В настоящее время лазеры на газах, возникаемых электронским разрядом, работают в очень широком диапазоне частот — от ультрафилолетового излучения до далекого инфракрасного. Основной конструктивный элемент газового лазера — газорарядная трубка, то есть трубка, в которой поддерживается электронная разряд в газе. Общий газ разрежен до давления, в 100÷1000 раз меньше атмосферного. Материал трубок — стекло или квариц. Длина трубок в зависимости от назначения лежит в пределах от 5 cm до 50 м. Газорарядные трубки газовых лазеров в значительной мере подобыны трубкам неоновой светашейся рекламы. Зеркала лазеров установлены либо непосредственно на торцах газорарядных трубок, либо снаружи, но в любом случае строго перепендикулярно оси трубки.
В настоящее время наиболее распространенный явление неон-гелиевая лазер непрерывного действия на