Физические основы работы лазеров. Применение лазеров

Дол­гое время в эпоху Нью­то­на свет не счи­та­ли вол­но­вым яв­ле­ни­ем, так как для света не на­блю­да­лось яв­ле­ния ин­тер­фе­рен­ции (Рис. 1). Яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции за­клю­ча­ет­ся в том, что если свет от двух раз­ных ис­точ­ни­ков по­па­да­ет в одну точку, то, при усло­вии ко­ге­рент­но­сти, в этой точке долж­но про­изой­ти либо уси­ле­ние, либо ослаб­ле­ние све­то­вых ко­ле­ба­ний. Но этого не на­блю­да­лось.

От неза­ви­си­мых ис­точ­ни­ков ин­тер­фе­рен­ци­он­ная кар­ти­на не на­блю­да­ет­ся.

Для неза­ви­си­мых ис­точ­ни­ков не со­блю­да­ет­ся усло­вие ко­ге­рент­но­сти, так как из­лу­че­ние света свя­за­но с пе­ре­хо­дом более вы­со­ко­го энер­ге­ти­че­ско­го со­сто­я­ния в более низ­кое со­сто­я­ние ато­мов из­лу­ча­те­ля. Дан­ный пе­ре­ход яв­ля­ет­ся спон­тан­ным, по­сто­ян­ной фазы нет. А усло­вие ко­ге­рент­но­сти – это по­сто­ян­ство во вре­ме­ни раз­но­сти фаз между ис­точ­ни­ка­ми.

Яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции

Рис. 1. Яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции

С со­вре­мен­ной точки зре­ния из­лу­че­ние света про­ис­хо­дит сле­ду­ю­щим об­ра­зом. По­лу­чая ка­кую-то энер­гию, элек­трон в атоме пе­ре­хо­дит из ос­нов­но­го со­сто­я­ния в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. В этом воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии атом может пре­бы­вать очень неболь­шое время (при­мер­но 10-8 с). И затем атом пе­ре­хо­дит снова в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние, при этом из­лу­чая фотон. Ко­ге­рент­ность фо­то­на свя­за­на с тем, что все из­лу­че­ние за­ни­ма­ет 10-8 с, за это время волна (фотон) успе­ва­ет вы­пол­нить 50 пе­ри­о­дов, а затем эта кар­ти­на пре­ры­ва­ет­ся.

В 1916 году Эйн­штейн до­ка­зал, что, в за­ви­си­мо­сти от при­чин, ко­то­рые за­став­ля­ют атом из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния пе­рей­ти в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние, могут быть со­вер­шен­но раз­ные эф­фек­ты.

Если при­чи­на слу­чай­ная – спон­тан­ное из­лу­че­ние.

Ин­ду­ци­ро­ван­ное из­лу­че­ние – из­лу­че­ние, в ко­то­ром из­лу­че­ние атома вы­зва­но по­па­да­ни­ем в него фо­то­на.

Эйн­штейн до­ка­зал, что если в атом по­па­да­ет фотон такой энер­гии, ко­то­рая может быть из­лу­че­на при пе­ре­хо­де из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние самим ато­мом, то этот фотон ато­мом не по­гло­ща­ет­ся, а после атома идут уже два аб­со­лют­но иден­тич­ных фо­то­на. Эти фо­то­ны имеют оди­на­ко­вую длину волны, ча­сто­ту, про­стран­ствен­ное на­прав­ле­ние, по­ля­ри­за­цию и яв­ля­ют­ся пол­но­стью ко­ге­рент­ны­ми.

Эта идея вы­нуж­ден­но­го фо­то­на­ми из­лу­че­ния ато­мов по­ло­же­на в ос­но­ву со­зда­ния ла­зе­ров. Чтобы лазер ра­бо­тал, необ­хо­ди­мо, чтобы таких ато­мов в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии было много.

идея вы­нуж­ден­но­го фо­то­на­ми из­лу­че­ния ато­мов по­ло­же­на в ос­но­ву со­зда­ния ла­зе­ров

Рис. 2.

Была при­ду­ма­на си­сте­ма уве­ли­че­ния ко­ли­че­ства ато­мов, в ко­то­рых элек­тро­ны на­хо­дят­ся на более вы­со­ком энер­ге­ти­че­ском уровне, т. е. атом на­хо­дит­ся в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии.

Пусть есть ак­тив­ная среда, в ко­то­рой воз­буж­да­ют­ся атомы. Она на­хо­дит­ся между двумя зер­ка­ла­ми, одно из ко­то­рых яв­ля­ет­ся глу­хим (аб­со­лют­но не про­зрач­ным), а вто­рое зер­ка­ло – по­лу­про­зрач­ным (Рис. 2), т. е. при­мер­но 2% из­лу­че­ния могут прой­ти через это зер­ка­ло. Но чтобы эти 2% со­ста­ви­ли боль­шую энер­гию, необ­хо­ди­мо, чтобы в ак­тив­ную среду по­сту­па­ла энер­гия лю­бо­го вида (элек­три­че­ский раз­ряд, теп­ло­вая энер­гия и т. д.). Любой вид энер­гии может при­ве­сти к пе­ре­хо­ду атома в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние (Рис. 3).

Любой вид энер­гии может при­ве­сти к пе­ре­хо­ду атома в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние

Рис. 3.

Любой вид энер­гии может при­ве­сти к пе­ре­хо­ду атома в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние

Рис. 4.

Любой вид энер­гии может при­ве­сти к пе­ре­хо­ду атома в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние

Рис. 5.

При этом, если ка­кой-ни­будь фотон встре­ча­ет атом, в ко­то­ром при пе­ре­хо­де из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния может быть из­лу­че­ние той же самой ча­сто­ты, то фотон пре­вра­ща­ет­ся в два фо­то­на. Два таких фо­то­на могут тоже по­пасть в два таких атома, ко­то­рые на­хо­дят­ся тоже в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии, тогда их по­лу­чит­ся 4, и т. д. Между зер­ка­ла­ми со­зда­ет­ся такая среда, что эти фо­то­ны от­ра­жа­ют­ся то от од­но­го зер­ка­ла, то от дру­го­го, и между двумя зер­ка­ла­ми пе­ре­ме­ща­ет­ся мно­же­ство фо­то­нов. По­это­му между зер­ка­ла­ми по­яв­ля­ет­ся много ато­мов, ко­то­рые на­хо­дят­ся в ме­та­ста­биль­ном со­сто­я­нии. В любой мо­мент вре­ме­ни ме­та­ста­биль­ность можно пре­рвать, тогда из ла­зе­ра вы­хо­дит ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние, об­ла­да­ю­щее боль­шой мощ­но­стью. Ко­ге­рент­ные фо­то­ны идут рядом друг с дру­гом (Рис. 4-5).

В 1940 году Фаб­ри­кант пред­ло­жил идею на­кач­ки ла­зе­ра боль­шим ко­ли­че­ством воз­буж­ден­ных ато­мов. Но толь­ко в 1954 году Басов с Про­хо­ро­вым и неза­ви­си­мо от них Чаунс со­зда­ли пер­вые ла­зе­ры (тогда они на­зы­ва­лись ма­зе­ры). Диа­па­зон волн у этих ма­зе­ров был ра­дио­тех­ни­че­ский, т. е. они из­лу­ча­ли ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние ра­дио­волн, с дли­ной волны 1,27 см.

В 1960 году была со­зда­на си­сте­ма, ко­то­рая на­по­ми­на­ет ны­неш­ний лазер – лазер на ру­бине.

В 1960 году была со­зда­на си­сте­ма, ко­то­рая на­по­ми­на­ет ны­неш­ний лазер – лазер на ру­бине

Рис. 6.

В 1960 году была со­зда­на си­сте­ма, ко­то­рая на­по­ми­на­ет ны­неш­ний лазер – лазер на ру­бине

Рис. 7.

Такой лазер имеет трех­уров­не­вую си­сте­му (Рис. 6-7). Так как в со­став ру­би­на вхо­дят атомы хрома, они имеют трех­сту­пен­ча­тую кар­тин­ку: ос­нов­ное со­сто­я­ние, со­сто­я­ние с энер­ги­ей Е2 и со­сто­я­ние с энер­ги­ей Е3. Со­сто­я­ние Еяв­ля­ет­ся неустой­чи­вым, и атом может с него спу­стить­ся до со­сто­я­ния Е3. Время су­ще­ство­ва­ния атома при этом уве­ли­чит­ся на пять по­ряд­ков. В таком слу­чае, си­сте­мой на­кач­ки можно со­здать такую си­ту­а­цию, что почти все атомы хрома на­хо­дят­ся в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии и ждут сиг­на­ла для пе­ре­хо­да в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние. Вслед­ствие этого по­лу­ча­ет­ся мощ­ный ла­зер­ный луч.

Га­зо­вые ла­зе­ры на ос­но­ве гелий + неон  (Не – бу­фер­ная среда, Ne дает из­лу­че­ние). Дан­ный лазер дает яр­ко-крас­ное из­лу­че­ние:

Га­зо­вые ла­зе­ры на ос­но­ве гелий + неон  (Не – бу­фер­ная среда, Ne дает из­лу­че­ние). Дан­ный лазер дает яр­ко-крас­ное из­лу­че­ние

От­ли­ча­ют­ся ма­лень­ким раз­бро­сом ча­стот. Такие ла­зе­ры об­ла­да­ют вы­со­кой ко­ге­рент­но­стью.

lk – длина ко­ге­рент­но­сти ла­зер­но­го луча

Га­зо­вые ла­зе­ры на ос­но­ве уг­ле­кис­ло­го газа ра­бо­та­ют в ин­фра­крас­ной об­ла­сти.

Су­ще­ству­ют также жид­кост­ные ла­зе­ры с раз­ны­ми кра­си­те­ля­ми, т. е. можно по­лу­чать из­лу­че­ния раз­ных цве­тов.

Самые де­ше­вые – по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры. Они могут ре­гу­ли­ро­вать свою ча­сто­ту из­лу­че­ния и, со­от­вет­ствен­но, длину волны.

Ла­зер­ное из­лу­че­ние по­кры­ва­ет огром­ный диа­па­зон:

Ла­зер­ное из­лу­че­ние по­кры­ва­ет огром­ный диа­па­зон

Ла­зе­ры при­ме­ня­ют­ся в  тех­ни­ке, в ме­ди­цине и т. д. На­при­мер, за­пись ин­фор­ма­ции про­во­дит­ся на ла­зер­ных дис­ках, лазер ис­поль­зу­ют в мик­ро­хи­рур­гии глаза, при свар­ке ме­тал­ла и т. д.

Последнее изменение: Понедельник, 25 Июнь 2018, 16:28