Лазеры

История создания лазеров

Работы над созданием лазеров велись с начала $20$ столетия. И только во второй половине прошлого века ученым удалось создать сначала экспериментальные, а затем и серийные модели лазерных установок. Это дало толчок к развитию многих областей науки и техники.

Такое разнообразие характеристик позволяет использовать лазеры в военной технике, медицине, производственной сфере. Сейчас лазеры используются в оптических системах навигации, локации и связи, в химии, в хирургии и косметологии, в технологических процессах обработки материалов, в исследовательской работе (прецизионных интерференционных экспериментах), да и просто в быту.

Первый экспериментальный лазерный генератор был построен всего $60$ лет назад, а современную жизнь уже нельзя представить без лазера.

Принцип действия лазера

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является монохроматичность. Добиться такой высокой степени монохроматичности при использовании нелазерных источников света невозможно. Достигается это и другие свойства лазерного излучения путем согласованного испускания квантов света большим количеством атомов рабочего вещества.

В основе работы оптических квантовых генераторов лежат процессы поглощения и излучения квантов света атомами. Атом может находиться в разных состояниях, которые отличаются уровнем энергии $E_1, E_2$ и т. д. Согласно теории Нильса Бора, эти состояния являются стабильными.

В стабильном состоянии атом может находиться бесконечно долго при условии, что на него не оказывается никаких внешних воздействий. Стабильному состоянию соответствует наименьший уровень энергии. Стабильное состояние в научной литературе также может обозначаться как основное.

Существует ряд энергетических уровней, на которых атом также может находиться некоторое время, прежде чем вернуться в основное состояние. Время пребывания на таких «промежуточных» уровнях значительно дольше, чем время нахождения в возбужденном состоянии. Оно составляет порядка ${10}^{-3}$ секунды. Эти «промежуточные» уровни носят название метастабильных.

Нестабильный атом может находиться в возбужденном состоянии лишь в течение недолгого отрезка времени. Это порядка ${10}^{-8}$ секунды. Вслед за возбуждением атом возвращается в стабильное состояние, испуская квант света. Может быть и так, что атом вернется не в основное состояние, а в состояние с более низкой энергией, на метастабильный уровень.

 Частоту кванта света можно определить с использованием второго постулата Бора.

Если переходы между энергетическими уровнями связаны с поглощением или испусканием фотонов, то мы имеем дело с излучательными переходами. Возбуждение или возвращение в спокойное состояние при взаимодействии с другими атомами и электронами относятся к числу безизлучательных переходов.

Самопроизвольное и индуцированное излучение

В ряде случаев возможен самопроизвольный переход атома из одного состояния в другое. В этом случае говорят о спонтанном переходе.

Альберт Эйнштейн еще в начале $20$ века предположил, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может произойти под воздействием внешнего электромагнитного поля, при условии, что частота поля равна собственной частоте перехода. Излучение, которое возникает в этом случае, будет вынужденным или индуцированным.

Индуцированное излучение по своим свойствам отличается от спонтанного. Взаимодействие возбужденного атома с фотоном приводит к тому, то атом испускает еще один фотон той же самой частоты, который распространяется в том же направлении. Фактически, это означает, что в ответ на воздействие первоначальной волны атом излучает электромагнитную волну той же частоты, фазы, поляризации и направления распространения.

Согласно квантовой теории, результатом взаимодействия возбужденного атома с фотоном является появление двух одинаковых фотонов. Вынужденное испускание фотонов приводит к возрастанию амплитуды волны.

На рисунке схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рисунок $6.4.1.$ Условное изображение процессов $\left(a\right)$ поглощения, $\left(b\right)$ спонтанного испускания и
$\left(c\right)$ индуцированного испускания кванта.

Индуцированное излучение является физической основой работы оптических квантовых генераторов.

Использование термодинамически неравновесных сред

Предположим, что мы работаем со слоем прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями $E_1$ и $E_2>E_1$. В слое вещества распространяется излучение резонансной частоты перехода $\nu =\frac{\Delta E}{h}$.

Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в основном энергетическом состоянии. Столкновение атомов будет приводить к тому, что часть атомов будет временно переходить в возбужденное состояние. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через $n_1$ и $n_{2 }< n_1$.

Распространение резонансного излучения в среде будет вызывать процессы поглощения, спонтанного и индуцированного испускания фотонов. Вероятности поглощения невозбужденным атомом и индуцированного испускания возбужденным атомом согласно теории Эйнштейна имеют одинаковые вероятности. Так как $n_{2 }< n_1$ поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание.

Все это будет приводить к тому, что излучение, которое проходит через слой вещества, будет ослабляться. Излучение, которое возникает за счет спонтанных переходов, является некогерентным и распространяется во всех возможных направлениях. Оно не дает вклада в проходящую волну.

Усилить волну, которая проходит через слой вещества, можно путем искусственного создания условий, при которых $n_2>n_1$. Фактически, искусственно создается инверсная заселенность уровней и среда становится термодинамически неравновесной.

Впервые идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления была высказана Фабрикантом В.А. Затем явление индуцированного испускания было использовано советскими и американскими учеными для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны $\lambda =1,27 см$. Разработка нового принципа усиления и генерации радиоволн была по достоинству оценена мировой научной общественностью. Разработчики метода были удостоены Нобелевской премии.

Активная среда и накачка

Такая среда может быть использована в качестве резонансного усилителя светового сигнала.

Генерация света предполагает использование обратной связи. Для этого активная среда должна находиться между двумя высококачественными зеркалами, которые отражают свет строго назад таким образом, чтобы пучок многократно прошел через слой вещества. В таких условиях формируется лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. Физики дл описания этого процесса часто используют термин «накачка». Все время в активной среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней.

Для того, чтобы запустить лавинообразный процесс, необходим случайный спонтанный акт, который вызывает распространение излучения вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации.

Лазерное излучение выводится наружу в работающем оптическом квантовом генераторе через одно или оба зеркала, которые обладают частичной прозрачностью.

На рисунке схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рисунок $6.4.2.$ Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Рубиновый лазер

Особенностью рубинового лазера является использование оптической накачки, имеющей три уровня. Атомы среды переходят в возбужденное состояние за счет поглощения света. При использовании двух стандартных уровней накачки света лампы будет недостаточно для того, чтобы количество возбужденных атомов превысило количество атомов, находящихся в основном состоянии. В связи с этим накачка в рубиновом лазере проводится через третий уровень.

Схема накачки, используемой в рубиновом лазере, схематически представлена на рисунке.

Рисунок $6.4.3.$ Трехуровневая схема оптической накачки.

На рисунке $6.4.3.$ указаны «времена жизни» уровней $E_2$ и $E_3$. Уровень $E_2$ – метастабильный. Переход между уровнями $E_3$ и $E_2$ безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями $E_2$ и $E_1$. В кристалле рубина уровни $E_1$, $E_2$ и $E_3$ принадлежат примесным атомам хрома.

Мощная лампа, расположенная рядом с рубиновым стержнем, дает яркую вспышку. Кванты света воздействуют на атомы хрома, которые присутствуют в кристалле рубина, и переводят их в состояние с энергией $E_3$. Через промежуток времени длительностью $\tau \approx {10}^{–8}$ атомы переходят в состояние с энергией $E_2$. Время жизни уровня E2 относительно большое, что позволяет «перенаселить» возбужденный уровень $E_2$ по сравнению с невозбужденным уровнем $E_1$.

Излучение рубинового лазера имеет характерных темно-вишневый цвет, что соответствует длине волны $694 мм$. Работает такой лазер в импульсном режиме. Мощность излучения в импульсе достигает ${10}^6–{10}^9 Вт$.

Лазер на рубине стал первым работающим оптическим квантовым генератором. Он был сконструирован американским физиком Т. Майманом в $1960$ году.

Принцип работы газового лазера

Этот вид оптических квантовых генераторов является одним из наиболее распространенных в мире. Работает он на смеси гелия и неона, соотношение которых составляет $10:1$. Общее давление в смеси составляет порядка $102 Па$.

Неон в смеси является активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация лазерного излучения ярко-красного цвета, что соответствует длине волны $632,8 нм$. Гелий выполняет буферную функцию, а также обеспечивает создание инверсной населенности одного из верхних уровней неона.

Широкое распространение газовых лазеров обусловлено исключительной монохроматичностью. По этому параметру газовым лазерам не могут составить конкуренцию никакие другие виды оптических квантовых генераторов.

Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации $\mathrm{He}–\mathrm{Ne}$ лазера составляет примерно $\Delta \nu \approx 5·{10}^{–4} Гц$. Время когерентности такого излучения оказывается порядка $\tau \approx \frac{1}{\Delta \nu } \approx 2·{10}^3 с$, а длина когерентности $c\tau \approx 6·{10}^{11} м$, т. е. больше диаметра земной орбиты!

На практике реализовать столь узкую спектральную линию гелий-неонового лазера не удалось из-за целого ряда технических причин. Тщательная стабилизация всех параметров газового лазера удается достичь относительной ширины $\frac{\Delta \nu }{\nu }$ порядка ${10}^{–14}–{10}^{–15}$, что примерно на $3–4$ порядка хуже теоретического предела. Но даже такой уровень монохроматичности позволяет газовому лазеру оставить далеко позади всех конкурентов.

Первый газовый оптический квантовый генератор был создан в $1961$ году. На рисунке $6.4.4$ мы схематически представили схему уровней гелия и неона, а также механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рисунок $6.4.4.$ Механизм накачки $\mathrm{He}–\mathrm{Ne}$ лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Разберем процесс накачки лазерного перехода $E_4\to E_3$ в неоне. Происходит все следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде значительная часть атомов гелия сталкивается с электронами и переходит в верхнее метастабильное состояние $E_2$.

Атомы неона, которые находятся в основном состоянии, неупруго сталкиваются с атомами гелия и получают от них энергию. Уровень $E_4$ неона расположен на $0,05 эВ$ выше метастабильного уровня $E_2$ гелия. Недостаток энергии с лихвой компенсирует кинетическая энергия столкнувшихся атомов.

На уровне $E_4$ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню$E_3$, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация.

На рисунке $6.4.5$ изображена схема гелий-неонового лазера.

Рисунок $6.4.5.$ Схема гелий-неонового лазера: $1$ – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; $2$ – катод; $3$ – анод; $4$ – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее $0,1 \%$; $5$ – сферическое зеркало с пропусканием $1–2 \%$.

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Рисунок $6.4.6.$ Модель лазера, двухуровневая модель.