Поглинання. Спонтанне і вимушене випромінювання. Оптичні квантові генератори

Як уже було відмічено, атоми можуть знаходитись лише у строго визначених квантових станах, яким відповідають дискретні значення енергії W₁,W₂,W₃,...,W_n.

З точки зору квантової механіки стаціонарний стан атома повинен зберігатися як завгодно довго, якщо немає зовнішніх причин, які спричиняють зміну енергії атома. Проте дослід показує, що атом у збудженому енергетичному стані сам собою переходить у нормальний, не збуджений стан, випромінюючи світло. Таке випромінювання називається самочинним, або спонтанним випромінюванням.

Крім самочинних (спонтанних) переходів з одного енергетичного рівня на другий, спостерігаються також вимушені (індуковані) переходи, обумовлені дією падаючого випромінювання. Самочинні переходи відбуваються лише в одному напрямі ― із більш високих енергетичних рівнів на нижчі енергетичні рівні. Вимушене випромінювання рівнозначно відбувається як в одному, так і в другому напрямі. У випадку переходу на більш високий енергетичний рівень атом поглинає квант енергії. При вимушеному випромінюванні зі збуджених енергетичних рівнів випромінюються додаткові фотони, які називаються вимушеними або індукованими. На рис.1.24 показані ці процеси для атомів, які мають умовно лише два енергетичні стани ― основний W₁ і збуджений W₂ .

Рис.1.24

Важливо відмітити, що при вимушеному випромінюванні первинний і вторинний фотони є точними копіями один одного. Ще в 1916 р. Ейнштейн і Дірак довели, що вимушені (вторинні) фотони мають однакову частоту, фазу, поляризацію і напрям поширення. Вимушене випромінювання строго когерентне до падаючого. Ця особливість вимушеного випромінювання покладена в основу дії підсилювачів і генераторів світла, які називають лазерами.

Методи підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання були запропоновані ще в 1939 р. російським фізиком Фабрикантом, а в 1954 р. уже були побудовані прилади підсилення електромагнетних хвиль фізиками Басовим і Прохоровим і незалежно від них американським фізиком Таунсом. Ці прилади були названі мазерами. Вони працювали у сантиметровому діапазоні електромагнетних хвиль.

Перший лазер (оптичний квантовий генератор) побудував Мейман (США) у 1960 р.

Для підсилення світла необхідно, щоб на вищому енергетичному рівні W₂ знаходилось більше електронів, ніж на нижчому, тобто N₂>N₁ при W₂>W₁. Вважають, що в цьому випадку відбувається інверсна заселеність рівнів W₂ i W₁. Тоді при проходженні через таку речовину електромагнетної хвилі з частотою n=(W₂ –W₁)/h ця хвиля буде не слабшати, а навпаки, підсилюватись за рахунок індукованого випромінювання.

Новий фотон, що з’явиться внаслідок індукованого випромінювання, підсилює світло, яке проходить крізь середовище. Однак необхідно мати на увазі, що крім індукованого випромінювання відбувається процес поглинання світла. Унаслідок поглинання фотона атомом, що перебуває на енергетичному рівні W₁, фотон зникає і атом перейде на енергетичний рівень W₂ (рис.1.24«а»). Цей процес зменшує потужність світла, що проходить крізь середовище. Внаслідок актів вимушеного випромінювання фотон з енергією hn переводить атом із рівня W₂ на W₁ і замість одного фотона далі летять два фотони (рис.1.24«в»).Дія підсилювального середовища визначається тим, який з двох процесів переважає. Якщо переважають акти поглинання, то середовище ослаблює падаюче випромінювання і навпаки, якщо переважають акти вимушеного випромінювання, то середовище підсилює світло.

Досліди показали, що використання дворівневого середовища для побудови оптичних квантових генераторів не є ефективним. Перший квантовий генератор був створений за схемою трьох рівнів. Підсилюючим середовищем у ньому є кристал рубіну, який за хімічним складом є окисом алюмінію Al₂O₃ із домішками окису хрому Cr₂O₃ в кількості біля 0,03%. При цьому в кристалічній гратці Al₂O₃ певну кількість іонів Al³⁺ замінено на іони Cr³⁺. Активною речовиною, в якій здійснюються вимушені переходи в рубіні, є іони Cr³⁺. Енергетична схема Cr³⁺ складається з трьох рівнів: основний стан W₀ і дві широкі енергетичні смуги W₁, і подвійний метастабільний рівень W₂. Перехід з метастабільного рівня W₂ в основний стан W₀ супроводжується випромінюванням червоного світла з довжинами хвиль 6927 і 6943 (рис.1.25)

Якщо рубін інтенсивно опромінюють світлом потужної імпульсної лампи (криптон-ксенонова лампа), то іони хрому переходять з основного стану W₀ на рівні широкої смуги W₁, звідки найімовірнішим є безвипромінювальний перехід іонів на подвійний рівень W₂ із переданням частини енергії кристалічній гратці рубіну. Важливо те, що рівні W₂ i W₀ заселені інверсно. Головним в цьому випадку є різний час збудженого стану рівнів W₁ (приблизно 10^-7с) і метастабільного стану W₂ ( приблизно 10^-3с).

Рис.1.25

За час 10^-4с на рівнях W₂ відбувається нагромадження енергії, тобто створюється інверсний стан. Кожний фотон, який випадково може виникнути при самочинних переходах в принципі може ініціювати в активному середовищі лавину вимушених переходів W₂ ® W₀. Однак спонтанні переходи носять випадковий характер, а ініційовані ними вимушені фотони випромінюються в різних напрямках. Таке випромінювання не може бути високо когерентним.

Для лазерної генерації використовують ще один елемент ― оптичний резонатор. Оптичним резонатором в найпростішому випадку можуть бути два дзеркала, між якими розміщують рубіновий стержень. Одне із дзеркал є напівпрозорим. Усі ті фотони, які зародились і рухаються в напрямку осі лазера багаторазово відбиваються від дзеркал і в певний момент часу (кожні 10^-3с) разом із черговою лавиною вимушених фотонів при переході W₂ - W₀, випромінюються через напівпрозоре дзеркало у вигляді лазерного імпульсу. Потужність такого випромінювання в імпульсі може досягати 10⁶...10⁹ Вт, а густина потоку світлової енергії (10⁴...10⁷) кВт/м².

Першим газовим лазером безперервної дії став гелій-неоновий лазер, який було створено в 1961 р. В гелій-неоновому лазері накачування виконують в два етапи: гелій є носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання дає неон. На рис.1.26 показана енергетична схема гелій-неонового лазера.

За рахунок співударів з електронами атоми гелію переходять у збуджений стан W₁. При зіткненнях збуджених атомів гелію з атомами неону останні також збуджуються і переходять на один із верхніх рівнів неону, розташованих поблизу відповідних збуджених рівнів гелію. Перехід атомів неону з цього рівня на один із нижчих рівнів W₂ супроводиться випромінюванням лазера. Час збудженого стану He W₁ становить близько 10^-7с, час збудженого стану Ne W₁ приблизно 10^-3с. Різниця в часі дає можливість до певної міри концентрувати світлову енергію. Довжина хвилі гелій-неонового лазера становить 6328 .

W₀

Рис.1.26

Основні властивості лазерного випромінювання:

· Високі часова і просторова когерентності. Час когерентності біля 10^-3с, а довжина когерентності - 10⁵ м.

· Висока монохроматичність (Dl=10^-11 м).

· Велика потужність випромінювання (до 10⁹Вт).

· Мала кутова дисперсія в променях.

У більшості відомих на сьогодні лазерів ККД не перевищує 1%. Однак є лазери на основі неодиму з ККД біля 75% і потужний СО₂-лазер з ККД до 30%.

Лазери знайшли широке використання у різних галузях науки й техніки.

Серед прикладів використання лазерів слід відмітити такі:

· обробка металів, мікро зварювання, обробка алмазних виробів;

· безкровний лазерний скальпель на основі СО₂-лазера в медицині;

· створення високотемпературної плазми, можливість термоядерного синтезу в майбутньому;

· різноманітна вимірювальна техніка, лазерні інтерферометри;

· створення і відтворення голограм;

· створення сучасних засобів зв’язку і т.д.