Физика. Устройство лазера.

Лазер - устройство и принцип действия

Обычное поведение света при прохождении через среду

Обычно при прохождении света через какую-нибудь среду, его интенсивность ослабевает. Численное значение данного ослабления можно найти из закона Бугера:

В данном уравнении, помимо интенсивностей света I при вхождении в среду и при выходе из нее, присутствует еще и коэффициент, называемый линейным коэффициентом поглощения света средой. В традиционной оптике этот коэффициент всегда положителен.

Отрицательное поглощение света

А если бы коэффициент поглощения оказался по какой-то причине отрицательным? Что тогда? Получилось бы усиление света при его прохождении через среду, фактически среда бы демонстрировала отрицательное поглощение.

Условия для наблюдения такой картины можно создать искусственно. Теоретическую концепцию относительно пути к осуществлению предлагаемого явления, в 1939 году сформулировал советский физик Валентин Александрович Фабрикант.

В ходе анализа гипотетической среды для усиления проходящего через нее света, Фабрикант предложил принцип усиления света. А в 1955 году советские физики Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров реализовали данную идею Фабриканта в радиочастотной области электромагнитного спектра.

Рассмотрим физическую сторону возможности отрицательного поглощения. В идеализированном виде энергетические уровни атомов можно представить в виде линий — будто-бы атомы в каждом из состояний обладают лишь строго определенными энергиями E1 и E2. Это значит, что переходя от состояния к состоянию, атом либо излучает, либо поглощает исключительно монохроматический свет точно определенной длины волны.

Но реальность далека от идеала, и на самом деле энергетические уровни атомов имеют определенную конечную ширину, то есть это не линии с точными значениями. Поэтому и при переходах между уровнями будет иметь место некоторая область излучаемых или поглощаемых частот dv, зависящая от ширины энергетических уровней, между которыми осуществляется переход. Значениями E1 и E2 можно обозначить лишь середины энергетических уровней атома.

Итак, поскольку мы приняли, что E1 и E2 – это середины энергетических уровней, то можно рассмотреть атом в двух данных состояниях. Пусть E2>E1. Атом может поглощать либо испускать электромагнитное излучение при переходе между этими уровнями. Допустим, находясь в основном состоянии E1, атом поглотил внешнее излучение с энергией E2-E1 и перешел в возбужденное состояние E2 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B12).

Находясь в возбужденном состоянии E2, атом, под действием внешнего излучения с энергией E2-E1, излучил квант с энергией E2-E1, и вынужденно перешел при этом в основное состояние с энергией E1 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B21).

Если параллельный пучок монохроматического излучения с объемной спектральной плотностью w(v) пройдет через вещество, слой которого имеет единичную площадь поперечного сечения и толщину dx, то его интенсивность изменится на величину:

Здесь n1-концентрация атомов в состояниях E1, n2-концентрация атомов в состояниях E2.

Заменив члены в правой части уравнения, приняв что B21=B12, а затем подставив выражение для B21, получим уравнение для изменения интенсивности света на узких энергетических уровнях:

На практике, как было сказано выше, энергетические уровни не бесконечно узки, поэтому следует учесть их ширину. Дабы не загромождать статью описанием преобразований и кучей формул, просто отметим, что введя интервал частот, а затем проинтегрировав по x, получим в итоге формулу для нахождения реального коэффициента поглощения среды:

Поскольку очевидно, что в условиях термодинамического равновесия концентрация n1 атомов в низком энергетическом состоянии E1 всегда больше концентрации n2 атомов в более высоком состоянии E2, то отрицательное поглощение в обычных условиях невозможно, - невозможно усиление света просто при его прохождении через реальную среду без принятия дополнительных мер.

Для того, чтобы отрицательное поглощение все же стало возможным, необходимо создать условия, когда в среде концентрация атомов в возбужденном состоянии E2 будет больше концентрации атомов в основном состоянии E1, то есть нужно устроить в среде инверсное распределение атомов по их энергетическим состояниям.

Необходимость энергетической накачки среды

Для организации инверсной населенности энергетических уровней (для получения активной среды) применяют накачку (например оптическую или электрическую). Оптическая накачка подразумевает поглощение атомами направляемого на них излучения, благодаря чему эти атомы переходят в возбужденное состояние.

Электрическая накачка в газообразной среде подразумевает возбуждение атомов посредством неупругих соударений с электронами газового разряда. По мысли Фабриканта следует исключить при помощи молекулярных примесей некоторые из низкоэнергетических состояний атомов.

Практически невозможно с помощью оптической накачки в двухуровневой среде получить активную среду, так как количественно переходы атомов в единицу времени из состояния Е1 в состояние Е2 и обратно(!) будут в этом случае равноценны, значит необходимо прибегнуть как минимум к трехуровневой системе.

Рассмотрим трехуровневую систему накачки. Пусть на среду действует внешнее излучение с энергией фотонов E3-E1, при этом атомы в среде переходят из состояния с энергией E1 в состояние с энергией E3. Из энергетического состояния E3 возможны спонтанные переходы в состояние E2 и в E1. Чтобы получить инверсную населенность (когда атомов с уровнем E2 в данной среде получится больше), необходимо сделать уровень E2 более долгоживущим, чем E3. Для этого важно соблюсти условия:

Соблюдение данных условий будет означать, что атомы в состоянии E2 остаются дольше, то есть вероятности спонтанных переходов с E3 на E1 и с E3 на E2 превосходят вероятность спонтанных переходов с E2 на E1. Тогда уровень E2 окажется более долгоживущим, и такое состояние на уровне E2 можно будет назвать метастабильным. Следовательно при прохождении света с частотой v=(Е3 — E1)/h через такую активную среду, данный свет будет усиливаться. Можно аналогичным образом использовать и четырехуровневую систему, тогда уровень E3 окажется метастабильным.

Устройство лазера

Итак, лазер включает в себя три главных компонента: активную среду (в которой создается инверсия населенности энергетических уровней атомов), систему накачки (устройство для получения инверсии населенности) и оптический резонатор (многократно усиливающий излучение и формирующий на выходе направленный пучок). Активная среда может быть твердой, жидкой, газообразной или плазмой.

Накачку осуществляют непрерывно или импульсно. При непрерывной накачке, подводимая в среду мощность ограничивается перегревом среды и последствиями этого перегрева. При накачке импульсной, вводимая порциями в среду полезная энергия получается больше за счет высокой мощности каждого отдельного импульса.

Разным лазерам — разная накачка

Твердотельные лазеры накачивают путем облучения рабочей среды газоразрядными вспышками высокой мощности, сфокусированным солнечным светом либо другим лазером. Это всегда импульсная накачка, ибо мощность настолько высока, что при непрерывном воздействии рабочий стержень разрушился бы.

Жидкостные и газовые лазеры накачивают электрическим разрядом. Химические лазеры подразумевают протекание в их активной среде химических реакций, в результате которых инверсная населенность атомов получается либо у продуктов реакции, либо у специальных примесей, имеющих подходящую структуру уровней.

Полупроводниковые лазеры накачиваются током в прямом направлении через p-n-переход или пучком электронов. Кроме того существуют такие способы накачки, как фотодиссоциация или газодинамический способ (резкое охлаждение разогретых газов).