§ 7.9. Лазер

Определения и обозначения

Лазер — источник электромагнитного излучения, работающий на основе усиления света вынужденным излучением. Его отличие от обычного источника света состоит в том, что излучение усиливается согласованными переходами частиц активной среды. Это понятие помогает связать устройство лазера с его характерным пучком.

Вынужденное излучение — испускание атомом фотона под действием внешнего фотона; испущенный фотон совпадает с ним по частоте, фазе, направлению и поляризации. Иными словами, один фотон запускает появление другого, согласованного с ним. Именно такое совпадение объясняет когерентность и направленность лазерного света.

Инверсная населённость — состояние среды, в котором частиц на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем. Это распределение отличается от обычного равновесного, где нижние уровни обычно заняты сильнее. Оно необходимо, чтобы вынужденные переходы с испусканием фотонов преобладали над поглощением.

Оптический резонатор — система зеркал, между которыми многократно проходит свет и усиливается в активной среде. Зеркала возвращают часть излучения обратно, создавая обратную связь. Резонатор помогает свету накопить усиление, а частично пропускающее зеркало позволяет получить выходной пучок.

Как это устроено

Работа лазера начинается с передачи энергии активной среде — это называется накачкой. Получив энергию, атомы или другие частицы переходят на более высокие энергетические уровни. Без накачки на этих уровнях не накопилось бы достаточно частиц, способных отдавать энергию излучению. Накачивать среду можно светом, электрическим разрядом или иным способом.

Одного возбуждения частиц недостаточно: для усиления света нужно получить инверсную населённость. Если на нижнем уровне частиц больше, фотоны чаще поглощаются, чем создают новые фотоны при вынужденных переходах. Накачка меняет распределение частиц между уровнями, и тогда испускающих частиц становится достаточно. В результате вынужденные переходы начинают преобладать над поглощением, а проходящий свет усиливается.

Когда фотон проходит через активную среду, он может вызвать переход возбуждённой частицы на более низкий уровень. Частица испускает ещё один фотон, совпадающий с первым по частоте, фазе, направлению и поляризации. Затем оба фотона могут вызывать новые вынужденные переходы. Так число согласованных фотонов увеличивается, что объясняет когерентность и направленность лазерного излучения.

Для многократного усиления свету нужна обратная связь, которую обеспечивает оптический резонатор. Зеркала расположены по разные стороны активной среды и возвращают излучение обратно, поэтому оно проходит через среду снова и снова. При каждом проходе свет может усиливаться, если в среде сохраняется инверсная населённость. Одно зеркало делают частично прозрачным, чтобы часть излучения выходила из резонатора и образовывала пучок.

Лазерное излучение возникает, когда усиление в активной среде компенсирует потери света в резонаторе. Если усиление меньше потерь, устойчивый пучок не формируется; если условие выполняется, излучение поддерживается. Свойства результата зависят от того, какая выбрана среда, как её накачивают и как устроен резонатор. Поэтому лазеры могут различаться по спектру и другим характеристикам, хотя общий принцип их работы одинаков.

Элементы лазера и их роль

При разборе устройства удобно проследить путь энергии: источник накачки передаёт её среде, а среда усиливает проходящий свет. Затем резонатор возвращает свет для новых проходов, и часть излучения выходит через полупрозрачное зеркало. Таблица показывает, что отдельные элементы выполняют разные, но взаимосвязанные функции.

Разбор задач

Задача 1. В активной среде фотон вызывает переход атома на более низкий энергетический уровень. Укажите, чем испущенный фотон отличается от вызвавшего переход. Здесь речь идёт о вынужденном излучении, поэтому нужно сравнить все характеристики пары фотонов, а не только их энергию.

1. Определяем процесс: внешний фотон вызвал переход атома, значит, испускание является вынужденным.
2. Для вынужденного излучения испущенный фотон имеет ту же частоту и фазу, что и вызвавший переход.
3. Также совпадают направление распространения и поляризация обоих фотонов.

Ответ: испущенный фотон не отличается от вызвавшего его по частоте, фазе, направлению и поляризации. Именно согласованность этих характеристик позволяет усиливать свет без нарушения его когерентности.

Задача 2. Объясните, почему обычное тепловое равновесие не обеспечивает усиление света в активной среде лазера. Чтобы ответить, нужно сопоставить число частиц на уровнях и выяснить, что происходит с фотонами при взаимодействии со средой.

1. В тепловом равновесии нижние энергетические уровни обычно заняты сильнее, чем верхние.
2. Для усиления требуется обратное распределение — инверсная населённость, при которой частиц на верхнем уровне больше.
3. Без инверсии поглощение фотонов преобладает над вынужденным излучением, поэтому проходящий свет не усиливается.

Ответ: в тепловом равновесии нет необходимой инверсной населённости, поэтому поглощения не уступают вынужденному испусканию. Для усиления света среду нужно накачать энергией и изменить распределение частиц.

Задача 3. Для перехода между уровнями с разностью энергий 2,0 эВ найдите длину волны излучения. Используйте hc ≈ 1240 эВ·нм. Энергия фотона при таком переходе равна разности энергий уровней, поэтому по ней можно найти длину волны.

1. Записываем связь энергии фотона и длины волны: E = hc/λ, откуда λ = hc/ΔE.
2. Подставляем данные: λ = 1240 эВ·нм / 2,0 эВ.
3. Делим численные значения: λ = 620 нм. Единица электрон-вольт сокращается, остаётся нанометр.

Ответ: длина волны равна 620 нм. При решении важно использовать именно разность энергий уровней, потому что она переходит в энергию испущенного фотона.

Типичные ошибки

Считать, что накачка и есть лазерное излучение. Эту ошибку допускают, потому что накачка является источником энергии для лазера. Но она лишь возбуждает частицы активной среды, а лазерный свет возникает при переходах между уровнями. Проверьте себя: накачка передаёт энергию системе, а излучение появляется при испускании фотонов.

Путать вынужденное излучение со спонтанным. Оба процесса сопровождаются испусканием фотона, поэтому их легко смешать. При вынужденном переходе фотон возникает под действием внешнего и согласован с ним по основным характеристикам. Для проверки спросите себя, был ли фотон, который вызвал переход, и совпадают ли параметры фотонов.

Считать, что одной инверсной населённости достаточно. Инверсия создаёт условия для усиления, но сама по себе не обеспечивает многократное прохождение света и его выход из устройства. Нужны активная среда, в которой идёт усиление, и резонатор, создающий обратную связь. Проверьте ответ, перечислив не только состояние среды, но и элементы, поддерживающие лазерную генерацию.

Называть лазерный свет абсолютно монохроматическим и идеально направленным. Узкий спектр и малая расходимость пучка могут создать такое впечатление. В действительности спектр имеет конечную ширину, а пучок постепенно расходится. Чтобы проверить формулировку, замените слова «абсолютно» и «идеально» на «обычно узкий» и «хорошо направленный».

Связь с другими темами

Для понимания лазера нужны знания о строении атома и его энергетических уровнях: переход между уровнями сопровождается поглощением или испусканием фотона. Энергию фотона связывают с частотой и длиной волны соотношением E = hν = hc/λ, поэтому эта тема опирается на квантовые представления о свете. Позже понятия вынужденного излучения и инверсной населённости пригодятся при изучении квантовых генераторов и усилителей. Свойства лазерного пучка помогают объяснить его применение в технике и медицине.

Что запомнить

• Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.
• Для усиления необходима инверсная населённость.
• Накачка переводит частицы активной среды в возбуждённое состояние.
• Резонатор возвращает свет в активную среду и обеспечивает обратную связь.
• Полупрозрачное зеркало выводит часть излучения из резонатора.
• Лазерный свет обычно когерентен, направлен и имеет узкий спектр.