Краткая теория. Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) – это современные источники когерентного излучения

Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.

-3 -

Одним из самых распространенных в настоящее время является гелий – неоновый лазер, созданный в 1961 г. А. Джаваном (США). Чтобы понять принцип работы лазера, необходимо рассмотреть несколько ключевых вопросов.

Процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Согласно теории Бора атом в стационарном состоянии может находиться бесконечно долго, при этом он не поглощает и не излучает энергию. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией E_n. Под действием внешних возмущений (соударения, поглощение кванта энергии и т.д.) атом переходит в возбужденное состояние с энергией E_m. Возбужденный атом пребывает в этом состоянии примерно 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в стационарное состояние, испуская квант света, частоту которого можно определить из постулата Бора:

(1)

где E_m и E_n – энергия атома в двух его состояниях, h-постоянная Планка.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни назы-ваются метастабильными. При спонтанном переходе характе-ристики излученного фотона (направление распространения, поляризация, фаза) произвольные.

Однако переходы между энергетическими уровнями атома не всегда связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

- 4 -

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода (1). Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного излучения. При индуцированном переходе атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 2 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рис.2. Условное изображение процессов: (а) - поглощения; (b) - спонтанного излучения; (с) - индуцированного излучения кванта.

Чтобы создать активную среду, в которой были бы возможны индуцированные переходы необходимо создать условия, при которых на более высоких энергетических уровнях находилось больше атомов, чем на стационарных. Такое распределение

- 5 -

атомов по энергетическим состояниям называется инверсным. На возможность создания таких сред впервые в 1939 г. теоретически показал советский физик В.А.Фабрикант. В естественных условиях нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем верхние, а число атомов N, находящихся в состоянии с энергией Е описывается распределением Больцмана:

, (2)

где k- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, С – константа, зависящая от природы вещества.

С учетом (2) для инверсных сред должно выполнятся условие

,

где: E_n, E_m– энергия атомов на энергетических уровнях nи m, причем E_n< E_m; N_n, N_m– число атомов на уровнях nи m(N_n< N_m). Механизм создания инверснойнаселенности лазерного переходав гелий-неоновом лазере можно рассмотреть с помощью упро-щенной схемы энергетических уровней гелия и неона (рис.3).

Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны l₀= 632,8 нм, является неон. Гелий участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона.

Накачка лазерного перехода E ₄ → E ₃ в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E₂.

- 6 -

Рис.3. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень E₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E₂ гелия. Недостаток энергии компенси-руется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E₄ неона возникает инверсная населенность по отноше-нию к уровню E₃, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни, в частности на уровень Е₂. Опустошение уровня E₂ неона, происходит при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов.

- 5 -

В гелий – неоновом лазере активная среда заключена в стеклянной трубке, торцы которой закрыты плоскопараллельны-ми пластинами под углом Брюстера (рис.4). Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., а давление неона – 0,1 мм рт. ст. При подключении к катоду 2 и аноду 3 высокого напряжения в трубке возникает электрический тлеющий разряд, благодаря которому обеспечивается инверсия активной среды.

При индуцированных переходах среда усиливает излучение. При этом необходимо, чтобы свет прошел как можно больший путь через активную среду и вызвал лавинообразное нарастание индуцированных переходов. Это достигается с помощью оптического резонатора, состоящего из двух высоко-отражающих зеркал, расположенных в параллельных плоскостях по обе стороны активной среды (на рис.4 зеркала 4 и 5).

Рис. 4. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная трубка 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 пропуска-нием 1–2 %.

Расстояние между зеркалами L должно быть равно целому числу полуволн, т.е. где n=1,2,3…

С волновой точки зрения, действие резонатора сводится к тому, что индуцированное излучение, распространяющееся в противоположных направлениях в виде падающих и отраженных

- 6 -

волн, интерферируют в нем, образуя стоячие волны с непрерывно возрастающей амплитудой. Рост амплитуды продолжается до значения, при котором полупрозрачное зеркало 5 начнет пропускать излучение. С точки зрения квантовой теории между зеркалами наблюдается лавинообразное нарастание идентичных фотонов, имеющих одинаковую поляризацию (благодаря торцевым пластинам, установленных под углом Брюстера) и распространяющихся вдоль осевой линии трубки (рис.5).

Рис.5. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Фотоны, распространяющиеся под некоторым углом к осевой линии или имеющие произвольную поляризацию, отсеиваются и не участвуют в усилении света.

Таким образом, оптический резонатор выделяет излучение строго определенной длины волны, имеющее определенную поляризацию и узкую направленность.

Гелий-неоновый лазер используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии и в квантовых гироскопах.

- 7 -

Дата добавления: 2015-05-06