БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ЛА)

Задача создания источника когерентного света была решена лишь с появлением Л., в котором используется принципиально иной метод высвечивания возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Принцип работы лазера.Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света (см. Атом ) . Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней E 1, E 2атомов или молекул среды ( hn = E 2— E 1 , где h — Планка постоянная ) , к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E 1, в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E 2( рис. 2 , а) . Число таких переходов пропорционально r ( n ) N 1 , где r ( n ) — спектральная плотность излучения в эрг/см 3, N 1— концентрация атомов, находящихся на уровне E 1(населённость уровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E 2, под действием квантов hn вынужденно переходят на уровень E 1( рис. 2 , б) . Число таких переходов пропорционально r ( n ) N 2 , где N 2— концентрация атомов на уровне E 2. В результате переходов E 1 ® E 2 волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E 2 ® E 1 световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью ( N 2— N 1 ). В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N 1 всегда больше населённости верхнего N 2 . Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия населённостей уровней E 1и E 2, при которой N 2> N 1 . При этом вынужденные переходы E 2 ® E 1 преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E 1 ® E 2 . Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E 2 ® E 1 волны по частоте n , направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E 2. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E 1, E 2, способную усиливать излучение частоты n = ( E 2— E 1)/ h , обычно называют активной.

Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E 2), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого усилится ( рис. 3 ). Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри — Перо ( рис. 4 ), то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волны увеличивается в e kL раз, где k — коэффициент усиления в см -1, L — длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r ( n ) в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост r ( n ) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r ( n ), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.

Интерферометр Фабри — Перо, заполненный активной средой с достаточно большим коэффициентом усиления, представляет собой простейший Л. В Л. используются оптические резонаторы и др. типов — с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый резонатор ) . В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Л., могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами ( рис. 4 ) преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получать излучение высокой направленности. Телесный угол DW, в котором сосредоточен поток излучения, может быть сделан , где D — диаметр зеркал. Для l » 1 мкм и D = 1 см величина » 10 -8(для тепловых источников DW ~ 2p).

Оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с частотами , где с — скорость света, n — целое число. В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L . Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен ( рис. 5 ). При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент dn лопределяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина dn лможет быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.