Е1 — основное состояние, Е2 — возбужденное состояние.
В этом случае говорят о термодинамическом равновесии, в котором находится газ. В состоянии равновесия процессы возбуждения из-за постоянно действующих внутренних (микроскопических) процессов возбуждения (например, столкновений атомов газа) всегда уравновешены обратными процессами девозбуждения.
Перейдем к рассмотрению более сложной модели — трехуровневой схеме, представленной на рис. 43.
Рис. 43.Трехуровневая схема испускания атомом
Заметим, что существует и четырехуровневая схема, но она значительно сложнее трехуровневой (хотя принципиальная картина процессов, происходящих в атоме, остается той же самой), и мы ее рассматривать не будем.
В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем.
Если теперь подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1 —>3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.
С верхнего третьего уровня возможны переходы 3 —>1 и 3 —>2. Оказалось, что переход 3 —>1 приводит к испусканию энергии Е3 — Е1 = hv31, а переход 3 —>2 не является излучательным: он ведет к заселению «сверху» промежуточного уровня 2 (часть энергии электронов при этом переходе отдается веществу, нагревая его). Этот второй уровень носит название метастабального, и на нем в итоге окажется атомов больше, чем на первом. Именно на этом уровне происходит накопление возбужденных атомов. Поскольку атомы на уровень 2 поступают с основного уровня 1 (через верхнее состояние 3), а обратно на основной уровень возвращаются с «большим запаздыванием», то уровень 1 «обедняется».
В результате и возникает инверсия, т. е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Если N1 — число атомов в состоянии 1, a N2 — число атомов в состоянии 2, то при инверсии N2 >N1 и генерируются фотоны с энергией hv21 = E2 — Е1. Следовательно, инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки, и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде. Это индуцированное излучение явилось физической основой создания лазера — источника, в котором рождаются «кванты-близнецы», т. е. когерентные, строго направленные узким пучком электромагнитные волны.
На рис. 44 приводится схема, поясняющая поглощение и испускание спонтанного и индуцированного излучения.
Рис. 44.Схема, поясняющая явление поглощения (а), спонтанного (б) и индуцированного (в) излучений
Частица (атом или ион), находящаяся в основном энергетическом состоянии (находится на уровне 1) и изображенная черным кружочком на рис. 44, а, поглощает фотон (волнистая стрелка) и возбуждается, т. е. переходит на более высокий энергетический уровень Е2 (белый кружок). Возбужденная частица (белый кружок на рис. 44, б) может спонтанно выделить энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние.
Но возбужденную частицу (белый кружок на рис. 44, в) можно заставить испустить фотон под действием внешнего фотона (волнистая стрелка слева). Тогда кроме этого стимулирующего фотона появится второй фотон с той же частотой (волнистые стрелки справа), а частица снова возвратится в основное состояние. Так в результате индуцированного испускания рождаются кванты-близнецы, т. е. при большом числе возбужденных атомов происходит лавинообразный процесс значительного усиления слабого, подлежащего усилению сигнала.
ИТАК, ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОЛУЧЕНО. ОСТАЕТСЯ СФОРМИРОВАТЬ ЕГО В ПУЧОК.
Действительно, индуцированное размножение фотонов в инверсной среде является лишь необходимым, но не достаточным условием создания и действия лазера — генератора когерентной электромагнитной волны.
Для формирования высокой временной и пространственной когерентности излучения среду, в которой оно возникает, получившую название активной среды, необходимо поместить в оптический резонатор — систему двух сферических или плоских зеркал. Резонатор обладает свойствами не только накапливать внутри себя фотоны, испускаемые активной средой, т. е. создавать дополнительное усиление излучения, но и осуществлять «выбор» волн определенных частот из диапазона hv21 = ΔE/h, обладающих высокой монохроматичностью.
Дело в том, что каждый энергетический уровень представляет собой не узкую линию (рис. 44), а полосу шириной А£ (в случае трехуровневой схемы ΔE3, ΔE2).
ДАВАЙТЕ РАССМОТРИМ ДЕЙСТВИЕ РЕЗОНАТОРА ПОДРОБНЕЕ
В резонаторе (рис. 45) элемент активной среды выбран в виде параллелепипеда, а в качестве резонатора выступают два плоских зеркала. В соответствии с одним из физических законов, установленных Бугером, усиление волны в инверсной системе нарастает экспоненциально с увеличением длины активной среды. Однако в реальных физических условиях существуют потери энергии, которые с ростом длины среды возрастают. Следовательно, длину активной зоны необходимо подобрать такой; чтобы потери энергии были минимальны при максимально возможном усилении излучения.
Рис. 45.Схема оптического резонатора
Пусть в точке А активной среды спонтанно испускается фотон энергии hv21 с направлением распространения вдоль оси системы (перпендикулярно зеркалам) и пусть он станет тем «первым камнем», вызывающим лавину фотонов-близнецов. Именно в лазерах этот спонтанно излученный фотон и представляет собой излучение, которое необходимо усилить. В результате движения этого фотона в среде появления индуцированных фотонов амплитуда и энергия волны увеличиваются в направлении ее распространения. После отражения от правого зеркала волна идет обратно, продолжая усиливаться. Пройдя расстояние L, она достигает левого зеркала, отражается и снова устремляется к правому зеркалу.
Такие условия, разумеется, создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии, но при определенных условиях практически вся энергия возбуждения атомов переходит в излучение, направленное вдоль оси резонатора.
Если затем каким-либо способом (об этом несколько позже) дать возможность излучению выйти из резонатора, то можно получить остронаправленный, почти параллельный пучок, линейный угол расходимости которого определяется лишь дифракционными явлениями на зеркале и равен λ/D (D — диаметр пучка).
Это отношение может быть порядка 10-4—10-5 рад, в то время как обычные источники света излучают во все стороны, т. е. в 4π; рад. Применение плоских зеркал в резонаторе приводит к тому, что выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, т. е. имеет высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.
Теперь мы можем окончательно заключить, что физической основой лазеров являются: эффект индуцированного (вынужденного) излучения; создание термодинамического неравновесия в активных средах, сопровождающееся инверсией и дающее возможность усиливать световые волны; применение оптического резонатора, накапливающего кванты излучения и формирующего упорядоченную структуру электромагнитного поля, создающего его высокую когерентность.
КАКОВА ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА?
Функциональная схема любого оптического квантового генератора (ОКГ) изображена на рис. 46. Здесь 1 — активная среда, 2 — система накачки, 3 — оптический резонатор, 4 — возможные дополнительные элементы. Резонатор выделяет в пространстве оптическую ось ОО1 генератора, вдоль которой испускается лазерное излучение.
Рис. 46. Функциональная схема оптического квантового генератора (ОКГ)
ЧТО ИСПОЛЬЗУЮТ В КАЧЕСТВЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В ЛАЗЕРАХ?
В различных лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые ОКГ), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные ОКГ), полупроводники (полупроводниковые ОКГ). Активная среда включает в себя небольшое количество атомов, ионов или молекул, называемых активными центрами. В полупроводниковых ОКГ роль высвечивающихся возбужденных активных центров играют электронно-дырочные пары.
Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые ОКГ), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных ОКГ), либо инжекция неравновесных носителей через р-n-переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка (полупроводниковые ОКГ).
Что касается оптического резонатора, то он представляет собой комбинацию из двух зеркал, одно из которых должно быть в некоторой степени прозрачно по отношению к генерируемому излучению.
Внутрь резонатора помещают дополнительные элементы. Их задача — обеспечить определенный режим работы ОКГ (например,