Лазеры

Именно эта лавина вынужденного излучения используется в важном физическом высокотехнологичном приборе — лазере. Лазер — это источник оптического и иного электромагнитного излучения различных диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.

Еще в начале XX в. Альберт Эйнштейн предсказал существование вынужденного излучения. В 1954 г. был создан микроволновой генератор вынужденного излучения. Первый лазер, генерировавший вынужденное оптическое излучение, появился в 1960 г. В 1964 г. советским физикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову, а также американскому физику Ч. Таунсу за работы в области генераторов вынужденного излучения присуждена Нобелевская премия по физике.

Лазер отличается от других источников излучения высокой когерентностью и узкой направленностью его излучения, что связано с похожестью рождающихся при вынужденном излучении фотонов на исходный фотон. Высокая когерентность позволяет использовать этот прибор в высокоточных устройствах — от дальномеров до устройств обработки сложных сигналов. Узкая направленность излучения дает возможность сконцентрировать на малом объекте уникально высокую мощность излучения, и это является основой многих применений — от записи информации на миниатюрных носителях до медицинских и военных приложений.

В качестве рабочей среды лазеров используются все основные агрегатные состояния вещества. Например, массу применений уже многие годы имеют газовые лазеры. Быстро набирают популярность твердотельные лазеры — в первую очередь полупроводниковые. А лазеры на растворах красителей способны генерировать большой набор частот в широком спектральном диапазоне.

По длительности работы различают импульсные и непрерывные лазеры. Для повышения мощности лазера часто используется система зеркал (в том числе полупрозрачных), не позволяющая лавине фотонов преждевременно покинуть рабочую среду.

Создание инверсной заселенности называется накачкой лазера. Накачка

может производиться с помощью вспомогательного источника излучения, электрического разряда, электронного пучка, химической и ядерной реакции и т.д.

Рис. 31.1

Возникает инверсия между третьим и вторым состояниями, приводящая к генерации лазера. Важно, что устойчивая генерация происходит лишь в случае, когда атомы не накапливаются на втором уровне (что может привести к ликвидации инверсии), а быстро возвращаются в основное состояние благодаря некоему быстрому процессу релаксации.

Даже мощная накачка обычно не позволяет достаточно хорошо для создания инверсной заселенности очистить основное состояние атома. Поэтому в реальных лазерах используют не два энергетических состояния (уровня) атома, а три и более. Инверсию в атоме просто создать, если, например, генерация излучения идет с одного возбужденного состояния атома на другое, гоже возбужденное. Одна из простейших трехуровневых схем генерации лазера изображена на рис. 31.1. В отсутствие накачки почти все атомы сосредоточены в основном энергетическом состоянии Ех. Благодаря резонансной накачке заметная часть атомов переходит с основного энергетического состояния Е{ в возбужденное состояние ?3. И хотя количество атомов в верхнем возбужденном состоянии по-прежнему уступает количеству атомов в основном состоянии (JV3 < ЛГ,), оно превосходит количество атомов в нижнем возбужденном состоянии (N3 > N2).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >