Что происходит в гелий-неоновом лазере

2

В. Фабрикант

Что происходит в геляй-неоновом лазере

Геляй-неоновый лазер становится распространяющим прибором, широко применяемый в самых различных областях техники и науки. Во многих школах появились такие лазеры, и с их помощью изучаются свойства когерентного света.

Сердцем каждого лазера служит свой так называемой активной среды, успливающей проходящий сквозь нее световой луч. В геляй-неоновом лазере такой средой является плазма, образующаяся при прохождения электрического тока сквозь смесь геляя с неоном в газорарядной трубке.

Что такое лазер или мастер, на какой они возникли базе?
Л. Мартынов

Объчно при прохождения через среду световой луч испытывает ослабление — часть энергии луча поглощается средой. Однако можно создать среду, при прохождения через кого-то рую свет будет не ослабляться, а успливается. Впервые возможность создания такой среды была указана в 1939 году. Конечно, в процессе успешления света закон сохранения энергии не нарушается. Дополнительную энергию световой луч черпает из внутренней энергии atomов среды.

Эйнштейн анализирует взаимодействие света с atomом

Переходы, переходы…
ИЗ песни

Для того чтобы понять, как «работает» успливающая свет среда, надо рассмотреть более подробно взаимодействие света с atomами. Впервые такое рассмотрение проводилось теории относительной Альберт Эйнштейн. Поразитное, сколько фундаментальных результатов в самых различных областях современной физики связывано с именем Эйнштейна!

В 1916 году Эйнштейн, развивая идеи Макса Планка о квантовом характере взаимодействия света с atomами, впервые четко сформулировал существование трех элементарных оптических процессов, в которых участвуют atomы.

Как известно, согласно квантовым представлениям внутренняя энергия atomов может изменяться только скачками.Atom, как мы говорим, может находиться в Staционном состоянии на одном из энергетических уровней (рис. 1), соответствующих волне определенным запасам внутренней энергии. Оптические переходы atomа с одного уровня на другой сопроводятся испусканием или поглощением atomом фотонов. Согласно закону сохранения энергии должно выполнять равенство

$$hv = E_2 - E_1,$$

(1)

где $hv$ — энергия фотона ($h$ — постоянная Планка, $v$ — частота света), $E_1$ и $E_2$ — энергии Staционных состояний atomа, между которых пропускают переход. Ясно, что для перехода с одной энергетической уровня на более высокий atom должен поглощать фотоны. Энергия поглощенных фотонов идет на увеличение внутренней энергии atomа. Наоборот, при переходах на более низкий уровень atom должен поглощать фотоны, уносящие избыток внутренней энергии atomа.

Эйнштейн указал, что существует один тип процессов поглощения фотонов и два типа процессов испускания фотонов (рис. 2). В процессе поглощения atom как бы глотает подлеτεвший к нему фотон и переходит на более высокий энергетический уровень (рис. 2, а). Процесс испускания atomом фотона может пропускать спонтанно — самопроизвольно, без всякого внешнего воздействия (рис. 2, б). Конечно, для того чтобы могло возникнуть спонтанное испускание фотона, необходимо atom предварительно возбудить. Спонтанное испускание пропускит из-за неустойчивости возбужденного состояния atomа. Продолжительность жизни изолированных возбужденных atomов различна для разных состояний. (На более короткие продолжительность жизни возбужденных atomов довольно мы — порядка $10^{-8}$ с.)

Наиболее важным для лазеров было открытие Эйнштейном существования второго типа процессов ис-

пускания photonов — так называемого вынужденного, или стимулированного, испускания. (Мы намеренно несколько отклонились от систематики оптических процессов, данной самим Эйнштейном. Он называл вынужденное испускание отрицательным поглощением, объединия тем самым этот процесс с процессом поглощения. Ниже мы увидим, что для этого есть основания, но в современной литературе установилась терминология, использующая нами.)

Вынужденное испускание возникает при стольновении photona с возбужденным atomом. Как показал Эйнштейн, вынужденный переход atomа с уровня $E_2$ на более низкий уровень $E_1$ может стимулировать только photon с энергейой, удовлетворяющей равенству (1). Фoton как бы только и без того неустойчивый возбужденный atom, и тот «падает» на более низкий энергетический уровень, испуская новый photon (рис. 2, б). При этом photon, стимулированный переход, не меняет свой энергии и направления своего полета. Важно подчеркнуть, что вновь розденный photon

4

ТОН ЯВЛЯЕТСЯ «БЛИЗНЕЦОМ» ФОТОНА, СТИМУЛИРОВАШЕГО ЕГО РОЖДЕНИЕ, — он несет такую же энергию и летит по тому же направлению.

Итак, после встречи первого фоТОНА с возбужденным atomом дальше летят уже два совершенного одинаковых фоТОна, а atom переходит на более низкий энергетический уровень. Абсолютная одинаковость этих двух фоТОнов проявляется не только в равенстве энергии и в совпадении направления их полета, но и в свойстве, называемом когерентностью. Существует квантовая теория когерентности, особенно развившаяся после появления лазеров; однако более наглудно это свойство описывается на основе классических, волновых представлений без всякого скачка фазы и изменения направления.

Теперь нам понятно, почему процесс вынужденного испускания Эйшштейн называют прицательным поглощением. Ведь поглощение и вынужденное испускание — это два «взаимно обратных» процесса. Начальное состояние в первом процессе совпадает с конечным состоянием второго и наоборот (рис. 3). Кроме того, при поглощении уменьшается интенсивность падающего света, но его когерентность не нарушается; в результате вынужденного испускания интенсивность падающего света увеличивается за счет тимулированного излучения, которое когерентно с падающим светом.

Таким образом, если в среде имеются возбужденные atoms, способные к вынужденном испусканию, то прохождение такого же уровня света во время потоку увеличивается свою интенсивность, оставящее когерентным, и этот процесс приноит противоположен процессу поглощения.

Именного когерентное успление света при вынужденном испускании лежит в основе создания оптических квантовых генераторов — лазеров. Само слово «лазер» образовано из начальных букв англяйских слов light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света стимулированным испусканием излучения).

Инверсия населенность и как ее получают

Всеверх дом
Название англяйской сказки

Теперь уже можно обьясить, почему различные среды обычно ослабляют, а не усиливают свет. Все дело в том, что в обычных условиях всегда больше atoms на нижних уровнях энергии, чем на более высоких (рис. 4). Поэтому в среде больше atoms, способных «глотать», а не испускать фоТОны, и число актов поглощения превышает число актов вынужденного испускания.

Для получения усиливающей среды необходимо создать инверсию населенностей atomами энергетических уровней — создать ситуацию, когда на верхних уровнях находится больше atoms, чем на нижних (рис. 5). Тогда акты вынужденного испускания будут преобладать над актами поглощения, и за счет вынужденного испускания будет происходить успление света. Посмотрим, как инверсия

Рис. 4. Нормальное распределение atomов по энергетическим уровнем.

6

Рис. 7. Распределение электронов по энергиям.

Все электроны обладают одной и той же энергии, равной средней энергии $E$ их теплового движения, то ни один из них не смог бы возбудить atom. При данной температуре (при данном значении $E$) энергии $\frac{mv^2}{2}$ теплового движения отдельных электронов отличаются от значения $E = \frac{mv^2}{2}$ – существует, как говоря, разброс электронов по энергиям. На рисунке 7 приведен график распределения электронов по энергиям при данной температуре. Видно, что лишь малая часть электронов обладает энергийой выше порога возбуждения atom.

Населенность уровня зависимости стольновений, но и от продолжительности жизни atom на данном энергетическом уровне. Ясно, что чем больше продолжительность жизни на данном уровне, тем больше atomов накапливается на нем. Поэтому для получения инверсии населенностей выгодно иметь верхний уровень с большей продолжительностью жизни, а нижний — с меньшей. Для лазера, работающего в непрерывном режиме, это условие является жестким.

На рисунке 8a изображены методы управления схема интерсуцих насуровней atomа неона. Переходы между уровнями $E_3$ и $E_2$ сопровождаются испусканием красной линии с длиной волны 0,6328 мкм. Продолжительность жизни atomов на уровне $E_3$ равна примерно $2 \cdot 10^{-7}$ с, а на уровне $E_2 = 10^{-8}$ с, т. е. примерно в пять раз меньше, что благоприятствует получению инверсии. Однако до уровня $E_3$ atoms могут возникать только электронами с энергиями, превышающими $E_3 - E_1$, а до нижнего уровня $E_2$ — электронами с энергиями, превышающими $E_2 - E_1$*). Так как $E_3 - E_1 > E_2 - E_1$, то данная ситуация не благоприятствует инверсии. Чем выше уровня, тем труднее электронам возбуждать atoms до этого уровня. В результате игры этих двух факторов очень трудно получить инверсию в чистом неон. Это и заставляет применять смесь геля с неоном, причем геля в этой смеси примерно в десять раз больше неон.

*) Возможна и такая ситуация: atom, стольновыйся с электроном и перешедший на возбужденный уровень, успевает за время жизни стольнуться со вторым электроном и перейти на более высокий уровень (такое возбуждение называется ступенчатым). Однако концентрация возбужденных atomов мала (из-за очень малой продолжительности жизни atomов в возбужденном состоянии), и поэтому при обычных условиях вероятность такого события ничего неон.

Рис. 8a.

Рис. 86.

8

Рис. 11.

Образовавшаяся лавина фотонов натыкается на одно из зеркал лазера и, отражившись, идет обратно сквозь активную среду, что сопровождается нарастанием лавины. Затем происходит отражение от второго зеркала и опять нарастание лавины и так далее. Мы с помощью зеркала как бы удлиняем активную среду. Однако не следует думать, что даже при идеальных зерканах, отражающих все падающие на них фотоны, лавина будет безгранично нарастать. Лавина сама себе портит условия нарастания. При достаточно высокой плотности потока фотонов они настолько быстро будут «сбивать» возбужденные atoms на более низкий энергетический уровень, что исчезнет инверсия населенностей. А ведь наряду с вынужденным испусканием происходит процесс поглощения и спонтанного излучения. В процессе спонтанного излучениярождающейся фотоны распространяется в пространстве равномерно по всему направлении, и их вклад в фотонную лавину очень мал и представляется собой некорегентный свет. Спонтанное излучение atomов создает в лазере небольшой так называемый «шум». Когда в результате изчезновения инверсии населенностей наступит равновесие между числом актов поглощения и числом актов спонтанного и вынужденного испускания, дальнейшее усиление свет прекратиется. (Согласно закону сохранения энергии при этом мощность, выделяемая в процессе испускания, становится мощности, подводимой для возбуждения atomов Ne.)

От успешия к генерации

Точное определение «образной связи» не имеет никакой важности. У.Р. Эшби. «Введение в кибернетку»

Тепер выясним роль реальных зеркала с коэффициентом отражения меньше единицы. Без зеркала газоразрядная трубка с гелий-неоновой смесью работала бы как усилитель света. Зеркала превращают прибор в генератор света. Применяя радиотехническую терминологию, можно сказать, что зеркала обеспечивает положительный обратную связь.

Когда описанная выше световая волна достигает одного из зеркала, она частично отразится,нойдет в обратном направлении сквозь активную среду, опять усиливаясь, и достигает второго зеркала, где повторится все то же. Волна будет «метать» между зеркаlami, как тигр в клетке.

Напомним, что одно из зеркала чут-чут произное. При каждом отражении от этого зеркала нарушу выйдет небольшая часть световой волны. Луч лазера превращает сумму этих частей световой волны, мечущейся в зеркальной клетке. И если потери света в зеркалах (а зеркала без потерь не былает) будут компенсироваться усилением света в активной среде, установится стационный режим генерации. Активная среда гелий-неонового лазера обладает очень слабым усиливающим действием (интенсивность светового потока увеличивается приерно на 10 % на одном метре пути в активной среде). Поэтому зеркала в таком лазере

9

должны иметь очень высокие коэффициенты отражения, превышающее 90 %.

Итак, мы разобрались в том, какие явления произходят в газоразрядной трубке гелиний-неонового лазера. По существу, в лазере произходит процесс преобразования энергии. Основные этапы этого процесса можно представить схемой, приведенной на рисунке 11.

Луч лазера
Молниевидный бриземет луч.
Ф. Тючев

Свечение активной среды принимаально отluaется от свечения таких источников света, как лампа накаливания или люминесцентная лампа. В обычных источниках света царит полный хаос — то здесь, то там возникают отдельные световые вспышки, сливоцесса в общее свечение. Эти световые вспышки представляют собой отдельные группы волн, испускаемых различными источниками (различными возбужdenными атомами), и начальные фазы этих волн совершенно служайны, никаким образом не согласованы. Свечение обычных источников света напоминает гул неорганизованной, чем-то возбужdenной толпы. Совсем иная картина в лазере. Благодаря актам вынужденного испускания световая волна упорядочивает излучение отдельных атомов. Здесь напоминает стройный хор — сначала вступают один хорстицы, затем другие, сила звучания нарастает. Дирижирует хором сама порождаемая им световая волна. Фазы отдельных группы волн, испускаемых различными атомами, согласованы между собой. Вот это и приводит к когерентности излучаемого лазером света.

Итак, луч лазера представляет собой сумму частей световой волны, выходящих через полупрозрачное зеркоало. А так как все эти частные когерентные между собой, то в результате их сложения произходит интерфейсция. Как известно, максимальная amплитуда результирующей волны получится, если разности хода складываемых волн равны целому числу длины волн. Длина пути, проходимого волной лазера между двумя отluaющими от одного и того же зеркала, равна 2L, где L — расстояние между зеркалами. Следовательно, для получения яркого выходящего луча должно выполняться следующая следующие условия:

$$2L = n\lambda,$$

где n — целое число, λ — длина световой волны. Условие (3) имеет простой смысл: на длине лазерной трубки (резонанта) должно укладывать целое число полуволн. При колбанях струны с закрепленными концами на длине струны также укладывается целое число полуволн. Это — условие установления стоячих волн. И внутри лазера устанавливается стоячая световая волна (точнее, почти стоячая — из-за прорачности одного из зеркала).

Условие (3) можно переписать в таком виде:

$$v = n \frac{c}{2L},$$

где c — скорость света, v = \frac{c}{\lambda} — частота.

Но частота света, излучаемого атомами неона при переходе с уровня E₃ на уровень E₂, равна

$$v = \frac{E_3 - E_2}{h}$$

Таким образом, частота света, генерируемого лазером, должна одновременно удовлетворять и уравнению (4), и уравнению (5). Первое уравнение определяет условие резонанта между светом и резонантом и носит классический характер. Поскольку зеркальный резонант имеет максимологические размеры, свет взаимодействует с ним как световая волна. Уравнение (4) имеет квантовый характер и определяет условие резонанта между светом и атомами активной среды, представляющих микрорезонантами как поток фотонов.

Таким образом, в лазере одновременно проявляется и волновые, и квантовые светства света.

10

Рис. 12.

Рис. 13. «Острота настройки» атомов не она и зеркального резонанса.

Постотрим теперь, что практические ознакомы с излучением, обладающим строю определенной частотой $v_0$ (рис. 12, а), мы должны были подобрать размер резонанса — расстояние $L$ между зеркалами — таким, чтобы собственная частота резонанса (определяемая условиям образования сточных волн) была как раз равна $v_0$. И поддерживать это расстояние надо было бы с точностью до малых долей длины излучения. Практические удовлетворить этому требованию очень трудно. К счастью, эта задача облегчает тем, что на самом деле частота излучения атома не в точности равна $v_0$, а лежит в неоктором интервале значений $v_0 \pm \Delta v$. Однако из причины, по которым это происходит, является тепловое движение атомов. Поскольку скорости отдельных атомов могут быть большие или меньше скорости теплового движения, энергия атомов на данном энергетическом уровне не в точности равна $E_n$, а лежит в неоктором интервале значений $E_n \pm \Delta E$ (рис. 12, б). В интервал частот $|(v - \Delta v), (v + \Delta v)|$ попадают несколько значений собственных частот резонанса (рис. 13). Поэтому для данной частоты излучения мощный луч лазера получается при настройке резонанса на неокторный набор частот (соответствующих различных значений целых чисел $n$ в условиях (4)). Если не принять специальных мер, гелян-неоновый лазер излучает весь этот набор частот, правда, сосредоточенный в довольно узкой области (ширина спектральной линии атома неона).

Есть и одночастиные лазеры, но в них имеется специальное устройство, выделяющее один из узких резонансов.

Мощность луча гелян-неонового лазера невелика — порядка одной десятичной仗та. Несмотря на это, попадание луча в глаз может повредить зрене. Разрядная трубка лазера потребляет для возбуждения активной среды мощность от 20 до 100 Вт. Таким образом, гелян-неоновый лазер преобразует электрознергию в энергию светового луча с к. п. д. не выше долей процента.

Вместе с тем луч лазера обладает рядом весы ценных свойства, сlixвой компенсирующих низкий к. п. д. Прежде всего, это — направленность луча. Когда мы рассказывали о зарождении фотонной лавины, мы указывали на то, что первый фотон должен вылетать паралельно оси разрядной трубки. «Косо» вылетающий фотон и порожденые им фотоны быстро уйдет в «аут» через боковую стенку трубки, не испытовывающего усления. Отражение от зеркал толькоусгугиитэффект. Так что внутри трубки сохраняется направленный луч, угловая расходимость которой всего порядка $10^{-3}$ радина. Высокая направленность луча гелян-неонового лазера делает его незаменимым для точно установления направленный при строительстве различных сооружений и при прокладке туннелей. Высокая монхроматность излучения гелян-неонового лазера, даже не одночастиного, делает этот лазер весы удобным источником для изучения и практического применения различных интерференционных явлений. Кроме гелян-неонового лазера, есть большое число других типов газовых лазеров, использующих в качестве активных сред различные атомарные и молекулярные газы. Средние их есть и весы мощные. Есть и лазеры с довольно высоким к. п. д. Но это, как говорится, уже другая история.