§ 64. Лазер

Определения и обозначения

Лазер — источник света, в котором излучение усиливается за счёт вынужденного излучения и формируется в оптическом резонаторе. Активной средой называют материал, где происходит усиление света. Такое определение показывает, что для работы лазера нужны и вещество, способное усиливать свет, и система, которая его удерживает.

Вынужденное излучение — испускание атомом фотона под действием проходящего фотона; испущенный фотон совпадает с ним по частоте, фазе, направлению и поляризации. В отличие от случайного спонтанного испускания, здесь появление нового фотона связано с уже имеющимся. Это свойство лежит в основе согласованного усиления света.

Инверсная населённость — состояние среды, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. Энергетические уровни — разрешённые значения энергии атома или другой частицы. Инверсия необходима, чтобы при взаимодействии со светом среда чаще добавляла фотоны, чем поглощала их.

Оптический резонатор — система зеркал, многократно пропускающая свет через активную среду и усиливающая излучение нужного направления. Обычно одно зеркало отражает почти весь падающий на него свет, а второе пропускает его часть. Резонатор помогает накопить и отобрать излучение, которое затем выходит в виде пучка.

Как это устроено

Сначала активную среду накачивают, то есть передают её частицам энергию извне. Это можно делать, например, светом или электрическим разрядом, в зависимости от устройства лазера. Получив энергию, частицы переходят на более высокие уровни. При подходящих условиях их число на верхнем уровне становится больше, чем на нижнем, и возникает инверсная населённость.

Почему инверсия так важна? Свет, проходящий через вещество, может как вызывать излучение, так и поглощаться атомами. Если большинство частиц находится на нижнем уровне, преобладает поглощение: фотоны передают энергию атомам и исчезают. При инверсной населённости частиц, способных перейти вниз и испустить фотон, достаточно много, поэтому вынужденное излучение может перевесить поглощение и увеличить интенсивность света.

Проходящий фотон взаимодействует с возбуждённым атомом и вызывает его переход на более низкий энергетический уровень. Разность энергий уровней уносится испущенным фотоном. Он совпадает с вызвавшим его фотоном по частоте, фазе, направлению и поляризации, поэтому оба фотона распространяются согласованно. Затем они могут вызвать новые переходы и появление новых таких же фотонов.

Зеркала резонатора отражают свет обратно через активную среду, и каждый проход даёт возможность усилить его снова. Так преимущественно накапливается излучение, распространяющееся вдоль оси между зеркалами. Одно зеркало делают частично прозрачным: часть света выходит из резонатора и становится лазерным пучком, а остальная часть продолжает участвовать в усилении.

Узкая направленность связана с тем, что резонатор поддерживает прежде всего свет, многократно проходящий между его зеркалами по подходящему направлению. Монохроматичность означает, что излучение имеет узкий диапазон частот, а не обязательно абсолютно одну частоту. Когерентность — согласованность фаз волн; она возникает потому, что вынужденные фотоны повторяют фазу вызвавшего их излучения. В реальном лазере эти свойства выражены сильно, но не являются идеальными.

Этапы работы лазера

Таблица показывает последовательность процессов: каждый этап подготавливает условия для следующего. При разборе устройства конкретного лазера полезно проследить, чем обеспечивается накачка и где находится активная среда. Затем нужно определить, какое зеркало выпускает излучение наружу.

Разбор задач

Задача 1

Лазер излучает свет с длиной волны 600 нм. Определите частоту и энергию фотона. Для перевода используем 600 нм = 6,00 · 10⁻⁷ м; скорость света c = 3,00 · 10⁸ м/с, постоянная Планка h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с.

1. Частоту найдём из связи f = c/λ: f = (3,00 · 10⁸)/(6,00 · 10⁻⁷) = 5,00 · 10¹⁴ Гц.
2. Энергию одного фотона вычислим по формуле E = hf: E = 6,63 · 10⁻³⁴ · 5,00 · 10¹⁴ = 3,32 · 10⁻¹⁹ Дж.

Ответ: частота равна 5,00 · 10¹⁴ Гц, энергия фотона — примерно 3,32 · 10⁻¹⁹ Дж. Сначала удобно определить частоту, поскольку именно она непосредственно входит в формулу энергии.

Задача 2

Мощность лазерного пучка равна 2 мВт, длина волны — 500 нм. Сколько фотонов излучает лазер за 1 с? Переведём величины в СИ: P = 2,0 · 10⁻³ Вт, λ = 5,00 · 10⁻⁷ м. Нужно сопоставить энергию всего излучения за секунду с энергией одного фотона.

1. Энергия одного фотона Eф = hc/λ = (6,63 · 10⁻³⁴ · 3,00 · 10⁸)/(5,00 · 10⁻⁷) ≈ 3,98 · 10⁻¹⁹ Дж.
2. За время t = 1 с лазер излучит энергию W = Pt = 2,0 · 10⁻³ · 1 = 2,0 · 10⁻³ Дж.
3. Число фотонов N = W/Eф ≈ (2,0 · 10⁻³)/(3,98 · 10⁻¹⁹) ≈ 5,0 · 10¹⁵.

Ответ: примерно 5,0 · 10¹⁵ фотонов за секунду. Проверка смысла результата: энергия каждого фотона очень мала, поэтому даже небольшой мощности соответствует огромное число фотонов.

Задача 3

Объясните, почему активная среда без накачки не обеспечивает устойчивое усиление света, а добавление резонатора помогает получить направленный лазерный пучок. Здесь достаточно проследить условия усиления и путь фотонов, не подставляя числа в формулы. Разделим рассуждение на две части: состояние среды и роль зеркал.

1. Без накачки не поддерживается инверсная населённость. Поэтому среда не обеспечивает устойчивого преобладания вынужденного излучения над поглощением, и свет не усиливается непрерывно.
2. Накачка создаёт инверсию, а вынужденные переходы увеличивают число согласованных фотонов. Резонатор возвращает свет в среду для повторного усиления и поддерживает преимущественно направление между зеркалами.
3. Частично прозрачное зеркало выпускает часть накопленного света наружу. Так формируется выходной пучок.

Ответ: накачка поддерживает среду в состоянии, необходимом для усиления, а резонатор обеспечивает многократный проход света и отбор направления. Одних зеркал недостаточно: без активной среды с инверсной населённостью свет не получит усиления.

Типичные ошибки

• Считать, что лазерное излучение возникает только из-за нагрева. Такое объяснение кажется естественным, потому что нагретые тела тоже светятся, но нагрев сам по себе не создаёт нужной инверсной населённости. Проверьте себя: в объяснении работы лазера должны быть указаны накачка и вынужденное излучение.

• Путать вынужденное и спонтанное излучение. При спонтанном испускании фотон появляется без внешнего фотона-триггера, а при вынужденном новый фотон согласован с вызвавшим его. Чтобы проверить ответ, перечислите совпадающие характеристики: частоту, фазу, направление и поляризацию.

• Думать, что резонатор лишь направляет уже готовый пучок. Это упускает его основную роль: зеркала возвращают свет в активную среду и дают ему пройти через неё много раз. Проверка проста: если убрать отражения, многократного усиления и отбора излучения резонатором не будет.

• Считать, что любой лазер излучает строго одну частоту и обладает идеальной когерентностью. Так думают, потому что эти свойства часто описывают упрощённо, однако у реального излучения есть конечная ширина спектра и ограничения когерентности. В ответе используйте слова «обычно», «почти монохроматичный» или «высокая когерентность», а не «идеальный».

Связь с другими темами

Для понимания лазера нужно знать, что энергия атома принимает определённые значения, а при переходах между уровнями фотоны поглощаются или испускаются. Понятия фотона и энергии излучения помогают рассчитывать частоту, длину волны и число фотонов в пучке. Для таких задач используются связи f = c/λ и E = hf. Принципы лазера применяются в оптической связи, измерительных приборах и квантовых технологиях.

Что запомнить

• Для работы лазера активную среду необходимо накачивать энергией.
• Накачка создаёт в активной среде инверсную населённость.
• Вынужденное излучение усиливает свет и создаёт согласованные фотоны.
• Оптический резонатор многократно направляет свет через активную среду.
• Частично прозрачное зеркало выводит из резонатора лазерный пучок.
• Лазерный свет обычно отличается направленностью, монохроматичностью и когерентностью.