Лазер

Слово лазер составлено из первых букв английского названия, которое в переводе на русский означает: усиление света с помощью вынужденного излучения. В советской научной литературе вместо слова "лазер" часто встречается обозначение ОКГ (оптический квантовый генератор).

Лазер.

Попробуем понять, как работает этот удивительный источник света. Остановимся вначале на процессах излучения и поглощения света атомами вещества. Атомы поглощают световую энергию только определенными порциями - квантами. Когда атом поглощает световой квант - фотон, его внутренняя энергия увеличивается. Принято говорить, что при этом атом переходит на более высокий энергетический уровень. Этот новый уровень лежит выше "старого" на величину энергии поглощенного кванта. Обычно атом стремится перейти в состояние с наименьшей возможной для него энергией. Такое состояние называют основным.

Рис. 20

Допустим, что атом получил избыток энергии. Атом, у которого запас энергии больше, чем в основном состоянии, называют возбужденным. Обычно он очень быстро - за одну десятимиллионную долю секунды - избавляется от лишней энергии и переходит в основное состояние. При этом атом испускает фотон, энергия которого hv (рис. 20). В большинстве случаев излишнюю энергию атом отдает без всякого воздействия. Такое излучение называют самопроизвольным или спонтанным. Однако процесс перехода атома с высокого энергетического уровня на более низкий может происходить и под действием другого кванта (см. ст. "Волны и кванты"). Пролетая мимо возбужденного атома, фотон может увлечь за собой фотон такой же энергии, как и его собственная, если энергия возбуждения атома равна энергии пролетающего фотона. Замечательно, что электромагнитные колебания похищенного фотона будут в той же фазе, что и у фотона-"похитителя". Таким образом, проходящий световой поток стремится перевести атомы на более низкие уровни.

Еще до изобретения лазера физики наблюдали замечательное явление - так называемое отрицательное поглощение света. Пучок света, проходя через любое вещество, ослаблялся: часть фотонов пучка отражается поверхностью, а некоторое количество фотонов поглощается веществом и переходит в тепло. Но вот удалось осуществить, казалось бы, невозможное. Проходя через некоторые кристаллы, световой луч не ослаблялся, а усиливался! Откуда появилась дополнительная энергия? Оказывается, до того момента, когда через кристалл прошел луч, кристалл был подсвечен мощным источником света. Благодаря этому большая часть атомов кристалла перешла в возбужденное состояние. Из возбужденного состояния эти атомы могут перейти на более низкий энергетический уровень, испустив при этом фотон с энергией hv. Поглотить же фотон с такой энергией они не могут - они уже насытились энергией. Зато фотоны падающего пучка с энергией hv увлекают за собой новые фотоны той же энергии, вынуждая атомы кристалла переходить в низшее состояние. В падающем пучке появляется дополнительная энергия. Такой кристалл с дополнительной подсветкой - первый шаг к лазеру.

Первый настоящий лазер был сделан из рубина, когда-то очень редкого камня, который теперь получают искусственно в больших количествах. Рубин - кристалл окиси алюминия А1₂О₃, в состав которого входят атомы хрома. Впервые действующий лазер был построен в 1960 г. В его рубиновом стержне - активном теле, по размерам и форме напоминавшем обыкновенный карандаш, содержалось всего 0,05% хрома. Рубин с таким содержанием хрома - розовый; если хрома в кристалле больше, то цвет его становится более глубоким, красным. Атомы хрома и играют главную роль в лазерном процессе. Они поглощают желтый, зеленый свет и лучи ультрафиолетовой области. Рубин оказывается поэтому прозрачным только для красного и синего света. Смесь этих излучений выходит из рубина, придавая ему характерную "рубиновую" окраску. Два энергетических участка атома хрома в кристалле рубина особенно плотно заполнены энергетическими уровнями. Эти участки ab и cd называют полосами поглощения (рис. 21).

Рис. 21. Схема энергетических уровней розового рубина.

Поглотив квант hv₁, атом хрома переходит на один из уровней этих полос. Но там он задерживается недолго. Он быстро отдает энергию дельта Е' кристаллической решетке рубина и переходит на низший уровень АА. Этот уровень самый замечательный. Находясь в нем, атом длительное время не переходит в основное состояние. По обычным представлениям это время невелико - всего несколько тысячных долей секунды, но в атомных масштабах оно огромно - примерно в 100 000 раз больше, чем время жизни обыкновенного возбужденного атома. Поэтому такое состояние атома называют метастабильным.

Рубиновый стержень мощного лазера - цилиндр диаметром в несколько сантиметров и длиной до нескольких дециметров. Его торцы хорошо отполированы, у одного из них установлено плоское зеркало, полностью отражающее свет, в то время как у другого торца зеркало частично отражает и частично пропускает световые лучи.

Чтобы получить лазерный импульс, оператор, включает установку высокого напряжения. От нее заряжаются электрические конденсаторы. Затем оператор нажимает кнопку, и энергия, запасенная конденсаторами, выделяется на мощных газоразрядных лампах, окружающих рубиновый стержень. Эти лампы похожи на фотографические лампы-вспышки, только они намного мощнее. В следующее мгновение за вспышкой ламп из рубинового стержня вырывается мощный поток света. Если его сфокусировать на металлической пластинке, то лазерный свет "прожигает" в ней глубокий кратер.

Какие же физические процессы произошли за мгновение, которое длился лазерный импульс? Вспышка газоразрядных ламп посылает множество фотонов разных энергий в тело рубинового стержня. Атомы хрома, поглотив часть этих фотонов, почти все переходят в возбужденное состояние, а затем примерно за одну стомиллионную долю секунды оказываются на метастабильном уровне АА. Такой процесс "подъема" атомов хрома или другого вещества в метастабильное состояние светом постороннего источника называют оптической накачкой.

Рис. 22. Возникновение лавины фотонов в лазере.

Находящиеся в метастабильном состоянии атомы испускают спонтанные кванты по разным направлениям. Всякий раз они увлекают за собой сравнительно небольшое число фотонов, пролетая мимо атомов в метастабильном состоянии. Если спонтанный фотон идет в сторону от оси цилиндра, то все фотоны быстро покидают кристалл и мощного импульса не возникает. Лазерный импульс появляется тогда, когда рождается фотон, идущий вдоль оси лазера. Такой фотон увлекает за собой много фотонов, и число их возрастает по законам возрастания числа камней в горной лавине: фотоны многократно проходят тело рубинового стержня, отражаясь от торцовых зеркал. В результате возникает мощный импульс красного света, который выходит через полупрозрачное зеркало (рис. 22). Свет этого импульса, во-первых, монохроматический: первый испущенный по оси рубинового стержня квант может увлечь за собой кванты только такой же энергии, как у него самого. Во-вторых, лазерный луч расходится под очень малым углом - увлекаемые фотоны идут по тому же направлению, что и первый фотон-родоначальник. И наконец, излучение лазера когерентно, потому что все кванты испускаются в одной фазе.

Рис. 23. Гелий-неоновый лазер: а - схема лазера на смеси гелия и неона; б - схема энергетических уровней гелия и неона. На рисунке показаны только уровни, участвующие в генерации видимого излучения газового лазера. На самом деле схема уровней и неона и гелия сложнее.

Не только твердое тело может давать лазерный свет. Бывают и жидкостные и газовые лазеры. Если цилиндрический сосуд наполнить смесью гелия и неона, внутрь его поместить металлические электроды и подать на них высокое напряжение, то смесь газов начнет светиться красноватым светом, почти таким же, как и неоновая реклама (рис. 23). В стеклянной трубке возникает тлеющий разряд. При этом между атомами газа движется много быстрых электронов. Они сталкиваются с атомами гелия и возбуждают их. Электроны сталкиваются с неоном, но, как правило, возбуждают только низколежащие уровни неона. Возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, отдают им свою энергию и возбуждают их высокие уровни. С этих высоких уровней атом неона переходит в промежуточное состояние Е₁. Если теперь у торцов сосуда с гелий-неоновой смесью установить такие же зеркала, как и у торцов рубинового лазера, то фотон с энергией Е₁-Е₂, испущенный параллельно оси сосуда, вызовет лазерное излучение. В газовом лазере число возбужденных атомов неона и гелия непрерывно пополняется. Поэтому гелий-неоновый лазер излучает свет непрерывно.

Очень интересен лазер с жидким излучающим телом. Мы уже знаем, что главную роль в излучающем теле рубинового лазера играют атомы хрома. Существуют лазеры, у которых стержень не из рубина, а из стекла, а стекло, как известно, переохлажденная жидкость. Роль атомов хрома играют добавленные в стекло атомы редкоземельного элемента неодима. Но так как атомы неодима находятся в жидкости, они будут свободнее передвигаться и очень часто сталкиваться с атомами жидкости-растворителя. При этих столкновениях возбужденные атомы неодима будут отдавать свою энергию атомам растворителя, и она будет переходить в тепло. Не поможет и то, что электроны, переход которых с орбиты на орбиту сопровождается испусканием фотонов, лежат на большой глубине электронного облака, окружающего атом неодима. Нужно было как-то защитить этот активный атом от снующих вокруг него атомов растворителя. Но как?

Рис. 24. Ион неодима "защищен" атомами кислорода и группами органических молекул - лигандами. Эта кольчуга позволяет ему удержать энергию возбуждения.

Эту задачу решили химики. Они заключили ион неодима в атомную кольчугу (рис. 24). Было получено такое химическое соединение, в котором ион неодима находится среди связанных с ним атомов кислорода, а они в свою очередь связаны со сложными органическими группами атомов - лигандами. Таким образом, атом неодима оказался защищенным от столкновений с атомами растворителя и стал вести себя так, как если бы он находился в кристаллической решетке твердого тела. Но лиганды не ограничиваются ролью защитников неодима. Они обладают еще замечательным свойством: поглощая излучение в широких областях спектра, лиганд возбуждается и при этом либо сразу переходит в основное состояние, либо долго остается в возбужденном состоянии. В первом случае испущенный лигандом фотон будет бесполезным для лазерного луча. Из метастабильного состояния лиганд передает свою энергию атому неодима и таким образом участвует в оптической накачке активных ионов неодима. Каскад фотонов в таком лазере возникает обычным путем, так же как и в других типах лазеров.

перейти к началу страницы