§ 73. Лазеры

Определения и обозначения

Лазер — устройство, создающее направленное, когерентное и почти монохроматическое электромагнитное излучение за счёт вынужденного излучения. Когерентность означает согласованность фаз волн, а почти монохроматичность — малую ширину спектра. Это определение сразу показывает, чем лазер отличается от обычной лампы.

Вынужденное излучение — испускание возбуждённым атомом фотона под действием другого фотона с такой же частотой, фазой и направлением распространения. В результате вместо одного согласованного фотона появляются два. Именно этот процесс позволяет усиливать свет.

Инверсия населённостей — состояние вещества, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. Такая необычная ситуация нужна для преобладания испускания над поглощением. Без неё световой сигнал в активной среде ослабевал бы.

Оптический резонатор — система из двух зеркал, одно из которых частично прозрачно, обеспечивающая многократное прохождение света через активную среду. Отражения увеличивают число взаимодействий фотонов с возбуждёнными атомами. Полупрозрачное зеркало одновременно выпускает наружу сформированный луч.

Как это устроено

В равновесном состоянии большинство атомов находится на нижних энергетических уровнях. Поэтому проходящий фотон чаще поглощается атомом, чем вызывает испускание нового: возбуждённых частиц мало. Для усиления света нужно изменить соотношение населённостей так, чтобы взаимодействия с возбуждёнными атомами стали более вероятными.

Эту задачу решает накачка — передача энергии активной среде. Источником накачки может быть вспышка света, электрический разряд или другой способ возбуждения частиц. После поглощения энергии частицы переходят на высокие уровни, а при подходящих условиях их становится больше, чем частиц на нижнем рабочем уровне, то есть возникает инверсия населённостей.

Пусть через активную среду проходит фотон подходящей частоты. Он взаимодействует с возбуждённым атомом и вызывает переход атома на более низкий уровень с испусканием второго фотона. Новый фотон имеет ту же частоту, фазу и направление, что и исходный, поэтому согласованное излучение постепенно нарастает.

Фотон движется между зеркалами оптического резонатора и многократно проходит через активную среду. При каждом проходе часть света усиливается вынужденным излучением, а направления, не соответствующие оси резонатора, быстро теряются. Так резонатор не только увеличивает интенсивность, но и формирует узкий устойчивый пучок.

Одно зеркало делают полупрозрачным, поэтому оно отражает большую часть света, но пропускает небольшую долю. Эта доля выходит из резонатора и образует лазерный луч. Его малая расходимость связана с отбором направлений, когерентность — с вынужденным излучением, а высокая интенсивность — с накоплением и усилением фотонов.

Устройство лазера и назначение его основных частей

Таблица показывает последовательность работы лазера: сначала энергия передаётся активной среде, затем создаётся инверсия, после чего излучение усиливается и выводится наружу. При разборе устройства полезно связывать каждую часть не только с её действием, но и с результатом для всего процесса.

Разбор задач

Задача 1. Расходимость луча

Объясним, почему лазерный луч почти не расходится на больших расстояниях. Нужно связать это свойство не с яркостью, а с механизмом формирования излучения. Главную роль играют вынужденное излучение и резонатор.

1. При вынужденном излучении новые фотоны сохраняют направление исходного фотона.
2. Резонатор многократно отражает свет вдоль своей оси и подавляет другие направления.
3. Поэтому пучок выходит узким и расширяется значительно слабее обычного света.

Ответ: малая расходимость объясняется согласованным направленным излучением и отбором направлений оптическим резонатором.

Задача 2. Энергия и частота фотона

Лазер излучает свет с длиной волны λ = 630 нм. Требуется найти энергию одного фотона и частоту излучения. Используем h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с и c = 3,0 · 10⁸ м/с.

1. Переведём длину волны: λ = 630 · 10⁻⁹ м = 6,30 · 10⁻⁷ м.
2. Найдём частоту: ν = c/λ = 3,0 · 10⁸/(6,30 · 10⁻⁷) ≈ 4,76 · 10¹⁴ Гц.
3. Вычислим энергию: E = hν ≈ 6,63 · 10⁻³⁴ · 4,76 · 10¹⁴ ≈ 3,16 · 10⁻¹⁹ Дж.

Ответ: ν ≈ 4,76 · 10¹⁴ Гц; E ≈ 3,16 · 10⁻¹⁹ Дж.

Задача 3. Число фотонов

Лазер мощностью P = 5 мВт излучает свет с длиной волны 650 нм в течение t = 1 с. Нужно определить число испущенных фотонов. Сначала найдём полную энергию излучения, а затем разделим её на энергию одного фотона.

1. Переведём величины: P = 5 · 10⁻³ Вт, λ = 6,50 · 10⁻⁷ м.
2. Энергия одного фотона: Eф = hc/λ ≈ 6,63 · 10⁻³⁴ · 3,0 · 10⁸/(6,50 · 10⁻⁷) ≈ 3,06 · 10⁻¹⁹ Дж.
3. Энергия луча за время t равна Pt, поэтому N = Pt/Eф ≈ 5 · 10⁻³ · 1/(3,06 · 10⁻¹⁹) ≈ 1,63 · 10¹⁶.

Ответ: за 1 с лазер испускает примерно 1,6 · 10¹⁶ фотонов.

Типичные ошибки

Просто нагревать вещество. Нагрев сам по себе не создаёт нужного распределения частиц по уровням, поэтому этого недостаточно. Проверьте себя: в объяснении обязательно должна присутствовать накачка, создающая инверсию населённостей.

Путать вынужденное и спонтанное излучение. При спонтанном переходе фотон появляется самопроизвольно и не обязан совпадать с другими по фазе и направлению. Проверка проста: если испущенный фотон полностью согласован с вызвавшим его фотоном, речь идёт о вынужденном излучении.

Считать лазер абсолютно монохроматичным и параллельным. У реального устройства спектр имеет конечную ширину, а луч обладает небольшой расходимостью. Следовательно, правильнее говорить «почти монохроматический» и «слабо расходящийся».

Называть лазером любой яркий красный источник. Цвет и яркость не определяют принцип работы устройства: такими свойствами могут обладать и другие источники. Нужно проверить наличие активной среды, инверсии населённостей, вынужденного излучения и резонатора.

Связь с другими темами

Для понимания лазеров нужны знания о строении атома, энергетических уровнях, частоте и энергии фотона. Формула E = hν = hc/λ связывает энергию фотона с частотой и длиной волны. Поглощение и испускание света объясняют переходы между уровнями.

Когерентность лазерного излучения связана с интерференцией волн. Если фазы волн согласованы, они дают устойчивую интерференционную картину. Это свойство используется, например, в голографии.

Лазеры применяются в оптоволоконной связи, спектроскопии, медицине и измерительной технике. В этих областях важны узкий спектр, малая расходимость и возможность передавать энергию на значительное расстояние.

Что запомнить

• Лазер работает на основе вынужденного излучения.
• Для усиления света в активной среде нужна инверсия населённостей.
• Накачка переводит частицы активной среды на возбуждённые энергетические уровни.
• Оптический резонатор многократно пропускает излучение через активную среду.
• Полупрозрачное зеркало выводит часть усиленного излучения наружу.
• Лазерное излучение отличается высокой направленностью, когерентностью и близостью к монохроматическому.
• Энергия фотона определяется формулой E = hν = hc/λ.