11 класс
§ 63. Лазеры
Спонтанное и индуцированное излучения.
Как мы уже выяснили, если атом находится в возбуждённом состоянии, то он с течением времени самопроизвольно переходит в стационарное состояние с меньшей энергией. При этом возникает спонтанное, или самопроизвольное, излучение, при котором каждый атом начинает и заканчивает процесс излучения независимо от других атомов. Другими словами, спонтанные излучения разных атомов не согласованы (некогерентны) друг с другом.
В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под таким излучением следует понимать излучение возбуждённых атомов под действием падающего на них света.
Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного. Это обусловлено тем, что возникшая световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. Вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее с излучением фотона, но не самопроизвольно, а под влиянием внешнего воздействия.
Чарльз Таунс и
Николай Геннадьевич Басов
Ещё в 1939 г. российский физик Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991) указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. российские учёные Александр Михайлович Прохоров (1916—2002) и Николай Геннадьевич Басов (1922—2001) и независимо от них американский физик Чарльз Таунс (1915—2015) использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. Данное устройство было названо мазером 1. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Басов, Прохоров и Таунс в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. В 1960 г. американским инженером Теодором Мейманом (1927—2007) был создан первый лазер 2 — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.
1 Аббревиатура maser расшифровывается как «Microwave amplification by stimulated emission of radiation» — «Микроволновое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения».
2 Аббревиатура laser означает «Light amplification by stimulated emission of radiation» — «Световое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения».
Свойства лазерного излучения.
Лазеры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света.
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, даёт пятно диаметром ~ 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. Два лазера дают когерентные волны, которые могут интерферировать друг с другом.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра у некоторых типов лазеров кратковременно (в течение промежутка времени 10-9 с) достигается интенсивность излучения 1021 - 1022 Вт/см2, в то время как интенсивность излучения Солнца равна только 7 ∙ 103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. Кроме того, напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, может превышать напряжённость поля внутри атома.
Принцип действия лазера.
В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт этого часть атомов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия hν = E2 - E1, равная разности энергий между энергетическими уровнями 2 и 1.
На рисунке 10.22, а схематически представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка синусоиды. Электрон находится на нижнем энергетическом уровне. Возбуждённый атом, поглотивший энергию (рис. 10.22, б), может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении.
Представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой ν = E2 - E1 / h эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. На рисунке 10.23, а изображены возбуждённый атом и волна, а на рисунке 10.23, б схематически показано, что атом перешёл в основное состояние, а волна усилилась.
В настоящее время существуют различные методы получения среды с возбуждёнными состояниями атомов 3. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счёт поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбуждённых атомов не будет больше числа невозбуждённых. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.
3 Состояние вещества, при котором меньше половины атомов находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с нормальной населённостью энергетических уровней. Состояние, в котором больше половины атомов вещества находится в возбуждённом состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью (от лат. invercio — переворачивание) уровней.
Выход был найден в использовании трёх энергетических уровней (конечно, общее число уровней всегда велико; но речь идёт о «работающих» уровнях). На рисунке 10.24 изображены три энергетических уровня.
Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого система находится в различных энергетических состояниях («время жизни»), неодинаково.
На уровне 3 система атомов находится в течение всего 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения фотона. (Энергия при этом передаётся кристаллической решётке.) «Время жизни» в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это и используется в лазерах.
После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени 10-8 с оказывается в состоянии 2 (на метастабильном уровне), в котором находится сравнительно долго (~10-3 с). Таким образом и создаётся «перенаселённость» возбуждённого уровня 2 по сравнению с невозбуждённым уровнем 1.
Устройство рубинового лазера.
Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин — это кристалл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.
Из кристалла рубина изготавливают стержень цилиндрической формы с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали (рис. 10.25), испускает сине-зелёный свет.
Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов ёмкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселённым». В результате самопроизвольных переходов 2 ⟶ 1 (см. рис. 10.24) начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбуждённых ионов хрома и быстро усиливается.
На рисунке 10.26 показано развитие лавины фотонов вдоль оси рубинового стержня.
Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми уникальными свойствами, о которых было рассказано в начале параграфа. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасённая энергия выделяется за очень малое время.
Отметим, что рубиновый лазер Меймана работал в импульсном режиме, излучая свет с длиной волны 694,3 нм.
Другие типы лазеров.
В 1961 г. сотрудники компании «Лаборатории Белла» (США) Али Джаван (1926—2016), Уильям Беннетт (1930—2008) и Дональд Хэрриот (1928—2007) сообщили о создании первого газового лазера, работающего в непрерывном режиме на смеси атомов гелия и неона. Основной его частью является газоразрядная трубка, в которой происходит тлеющий газовый разряд. Трубка заполнена смесью атомов неона и гелия. В результате взаимодействия с электронами плазмы часть атомов неона и гелия переходят в возбуждённое состояние. Атомы гелия, находясь на нестабильных уровнях, могут передавать энергию возбуждения атомам неона при их столкновениях. Вследствие этого возникает инверсная населённость возбуждённых уровней атомов неона, что, в свою очередь, вызывает вынужденное излучение с длиной волны 632,8 нм.
Впоследствии был получен лазерный эффект на парах цезия, и началось конструирование лазеров на сотнях различных материалов. В 1961 — 1964 гг. были разработаны другие твёрдотельные, а также жидкостные и газовые лазеры, в 1962 г. появились полупроводниковые лазеры, в 1970-е гг. начал работать первый лазер на свободных электронах, а в 1980-е — рентгеновский лазер с высокотемпературной плазмой в качестве активной среды. К настоящему времени лазеры созданы (или разрабатываются) практически во всех диапазонах электромагнитных волн.
Применение лазеров.
Лазерное излучение находит широкое применение в различных областях науки, техники и промышленности. Огромная мощность лазерного излучения используется для испарения материалов в вакууме, для обработки (резание, сварка, сверление) металлов и т. д. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвёрдых материалах. В медицине лазеры используют в качестве бескровных скальпелей при лечении глазных, кожных и других заболеваний.
C помощью лазеров можно осуществить кабельную, телефонную, телевизионную и оптоволоконную связь. Пo одному оптическому волокну с помощью лазерного луча можно осуществить передачу более 100 телевизионных программ. Лазерный луч записывает и считывает информацию с компакт-дисков в компьютерах и лазерных проигрывателях.
Лазеры позволяют получать объёмные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча (голография). Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут. Перспективно использование сверхмощных лазерных лучей для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Об этом будет рассказано в главе 11. "Физика атомного ядра. Элементарные частицы".
Вопросы:
1. Как возникает:
а) спонтанное излучение;
б) вынужденное излучение?
2. Какими свойствами обладает лазерное излучение?
3. Опишите принцип действия лазера.
4. В чём заключается трёхуровневая система получения среды с инверсной населённостью уровней?
5. Как возникает вынужденное излучение в рубиновом лазере?
6. Приведите примеры использования лазеров в науке, технике и быту.
