Лазер - Физика атома - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура английской фразы Light Ampflication by Stimulated, Emission of Radiation, означающей «усиление света вынужденным излучением») — это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

В обычных источниках света (нагретые тела — лампы накаливания и др.) атомы получают энергию за счет возбуждения валентных электронов, находящихся на внешних электронных оболочках. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через 10-8-107 с без какого-либо внешнего воздействия, спонтанно (самопроизвольно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом.

Возможными процессами взаимодействия атома с фотоном, энергия которого равна разности энергий основного Е1 и возбужденного Е2 состояний (уровней энергии) атома hv = E2 - E1, являются следующие.

1. Поглощение света. Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > Е1 (рис. 4.10). Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации n1 атомов, находящихся в основном состоянии.

2. Спонтанное излучение. В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7 с спонтанно (самопроизвольно) возвращается в основное состояние, излучая фотон (рис. 4.10, б).

Спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, т. к. каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света (рис. 4.10, в).

Индуцированное (вынужденное) излучение — излучение атома, возникающее при переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации п2 атомов, находящихся в возбужденном состоянии. При этом световая волна, возникающая при индуцированном излучении, имеет ту же частоту, поляризацию, фазу и направление распространения, что и падающая на атом волна. Это означает, что интенсивность падающего излучения увеличивается, т. е. возникает оптическое усиление.

Принцип действия лазера

В 1939 г. российский физик В. А. Фабрикант наблюдет экспериментально усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения. Российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский физик Ч. Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, работавший в сантиметровом диапазоне, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физике. Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т. Мейманом.

Усиление излучения, падающего на среду, будет происходить тогда, когда число частиц на возбужденном уровне n2 превысит число частиц на основном уровне энергии: n2 > n1Такое состояние системы называется инверсной населенностью. В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает основное состояние с наименьшей энергией Е1, т. е. когда n1 > n2, усиления света не будет.

Инверсная населенность энергетических уровней — неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Однако спонтанные переходы препятствуют накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильным называется возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться гораздо дольше (например, 10-3 с), чем в обычном возбужденном состоянии (10-8 с).

На этом основан принцип действия рубинового лазера. Рубин, используемый в качестве активного элемента в лазере, представляет собой монокристалл Аl2O3, в котором часть ионов алюминия замещена ионами Сr3.

С помощью лампы-вспышки (оптической накачки) ионы хрома переводятся из основного состояния Е1 в возбужденное — E3(рис. 4.11). Через 10-8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят из возбужденного состояния Е3 в метастабильное состояние Е2 < Е3, в котором начинают накапливаться. Малая вероятность перехода с этого уровня на основной приводит к инверсной заселенности (n2 > n1) этого уровня. Случайный фотон с энергией hv = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического монокристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров.

Лазерное излучение обладает следующими особенностями:

1) исключительной монохроматичностью и когерентностью;

2) пучок света лазера имеет очень малый угол расхождения (около 10-5 рад);

3) лазер — наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.