2. Принцип действия лазера

Определения и обозначения

Активная среда — вещество, атомы или молекулы которого могут усиливать свет за счёт вынужденного излучения. Именно в ней происходят переходы частиц между энергетическими уровнями. Выбор среды определяет, какое излучение может быть усилено.

Накачка — передача энергии активной среде, чтобы перевести её частицы в возбуждённые состояния. Энергию можно подводить разными способами, но результат один: частиц с запасённой энергией становится больше. Накачка подготавливает среду к усилению света, но сама не является лазерным излучением.

Инверсная заселённость — состояние, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. Заселённостью называют число частиц на определённом уровне. Такое соотношение нужно, чтобы при взаимодействии со светом испускание преобладало над поглощением.

Вынужденное излучение — испускание частицей фотона под действием проходящего фотона. Испущенный фотон совпадает с вызвавшим его по частоте, фазе и направлению. Поэтому этот процесс не просто добавляет свет, а увеличивает согласованное излучение.

Оптический резонатор — система зеркал, между которыми свет многократно проходит через активную среду. Повторные проходы дают фотонам возможность вызывать новые акты вынужденного излучения. Благодаря резонатору усиленный свет преимущественно распространяется вдоль одной оси.

Как это устроено

Сначала активную среду нужно накачать энергией, потому что при обычном распределении частиц на нижнем уровне больше, чем на верхнем. В такой среде свет чаще поглощается, чем усиливается. Накачка переводит часть частиц на более высокие энергетические уровни и создаёт инверсную заселённость. Тогда взаимодействие света со средой может привести к общему усилению, а не к ослаблению.

Когда фотон подходящей энергии проходит через возбуждённую среду, он может вызвать переход частицы на нижний уровень. При таком переходе частица испускает второй фотон, совпадающий с первым по частоте, фазе и направлению. Оба фотона способны вызвать такие же переходы у других частиц. Так возникает лавинообразное размножение согласованных фотонов, пока свет проходит через активное вещество.

Одного прохода света обычно недостаточно для сильного усиления, поэтому среду помещают между зеркалами. Отразившись от одного зеркала, свет проходит через среду в обратном направлении и снова вызывает вынужденное излучение. После следующего отражения процесс повторяется. Многократные проходы увеличивают число согласованных фотонов, а зеркала помогают сохранять их движение вдоль выбранной оси.

Если бы оба зеркала полностью отражали свет, излучение оставалось бы внутри резонатора. Поэтому одно зеркало делают частично прозрачным: оно отражает часть света обратно, но пропускает остальную часть наружу. Выходящая часть становится лазерным пучком, а отражённая продолжает усиливаться. Пропускание выбирают так, чтобы обеспечить и выход полезного излучения, и поддержание усиления внутри резонатора.

Накачка создаёт нужное состояние частиц, активная среда обеспечивает вынужденные переходы, а резонатор многократно возвращает свет через эту среду. Ни одна из этих частей по отдельности не даёт описанного механизма получения лазерного пучка. Благодаря вынужденному излучению фотоны согласованы по фазе и распространяются в одном направлении. Зеркала выделяют это направление, а частично прозрачное зеркало выпускает часть усиленного света наружу.

Устройство лазера и назначение его частей

Таблица помогает проследить путь от подачи энергии до выхода света из устройства. При разборе принципа работы удобно спрашивать, какую задачу решает каждая часть и что произойдёт, если её убрать. Например, без частично прозрачного зеркала не было бы выходного пучка, а без накачки не возникло бы нужного распределения частиц.

Разбор задач

Зачем нужна инверсная заселённость

Условие. Объясните, почему для усиления света в активной среде необходимо создать инверсную заселённость. Нужно сравнить процессы поглощения и вынужденного излучения, а не просто указать, что частицы возбуждены.

1. При поглощении фотона частица переходит с нижнего энергетического уровня на верхний; число таких событий зависит от количества частиц на нижнем уровне.
2. При вынужденном излучении фотон вызывает переход с верхнего уровня на нижний; вероятность этого процесса связана с числом частиц на верхнем уровне.
3. Если на нижнем уровне частиц больше, поглощение может оказаться сильнее испускания и свет ослабнет. При инверсной заселённости верхний уровень заселён сильнее, поэтому вынужденное излучение преобладает.

Ответ. Инверсная заселённость нужна, чтобы число актов вынужденного излучения превышало число актов поглощения и свет в среде усиливался.

Длина волны по частоте

Условие. Энергетический переход соответствует испусканию фотона с частотой 6,0·10¹⁴ Гц. Найдите длину волны излучения и поясните, как такой фотон связан с вынужденным излучением. Скорость света примите равной c = 3,0·10⁸ м/с.

1. Записываем связь длины волны и частоты: λ = c/ν.
2. Подставляем значения: λ = (3,0·10⁸ м/с)/(6,0·10¹⁴ Гц) = 0,5·10⁻⁶ м.
3. Переводим результат в нанометры: 0,5·10⁻⁶ м = 5,0·10⁻⁷ м = 500 нм. Фотон этой частоты может вызвать испускание совпадающих с ним по частоте, фазе и направлению фотонов.

Ответ. Длина волны равна 5,0·10⁻⁷ м, или 500 нм.

Путь фотона в резонаторе

Условие. Опишите путь фотона в лазере с двумя зеркалами, одно из которых частично пропускает свет. Объясните, почему выходящий пучок усиливается и сохраняет направленность. Считайте, что активная среда накачана и в ней создана инверсная заселённость.

1. Фотон проходит через активную среду и вызывает вынужденное излучение: возбуждённые частицы испускают фотоны с такими же частотой, фазой и направлением.
2. Достигнув зеркала, свет отражается и снова проходит через среду; новые акты вынужденного излучения увеличивают число согласованных фотонов.
3. Отразившись от второго зеркала, часть света вновь направляется внутрь резонатора, а часть проходит сквозь полупрозрачное зеркало и выходит наружу.

Ответ. Выходящий пучок усиливается благодаря повторным проходам через активную среду. Его направленность и согласованность поддерживаются вынужденным излучением и отражениями от зеркал.

Типичные ошибки

• Считать, что лазерное излучение возникает только из-за нагрева вещества. Нагрев сам по себе не объясняет усиление света: в лазере его обеспечивает вынужденное излучение. Ошибка возникает из-за смешения разных способов передачи энергии и получения света. Проверьте себя: можете ли вы указать, какой фотон вызывает испускание нового?
• Путать накачку с лазерным излучением. Накачка передаёт энергию среде, а лазерный свет появляется при переходах частиц между уровнями. Их легко спутать, потому что оба процесса связаны с энергией. Проверка простая: накачка подготавливает среду, а излучение выходит из неё после переходов.
• Полагать, что достаточно возбудить отдельные частицы. Если частиц на нижнем уровне всё ещё больше, поглощение может превысить вынужденное излучение. Ошибка связана с тем, что возбуждение отдельных атомов принимают за усиление всей среды. Сравните числа частиц на верхнем и нижнем уровнях: для усиления нужна инверсная заселённость.
• Считать оба зеркала полностью отражающими. Тогда свет оставался бы внутри резонатора и не образовал бы выходной пучок. Путаница возникает из-за общей роли зеркал — отражать свет. Проверьте схему словами: одно зеркало частично пропускает излучение, а часть света возвращает в среду.

Связь с другими темами

Для понимания работы лазера нужны знания о поглощении и испускании света, фотонах и энергетических уровнях атомов. Связь λ = c/ν позволяет находить длину волны по частоте фотона, испускаемого при переходе. Понятия вынужденного излучения и квантовых переходов пригодятся при дальнейшем изучении взаимодействия света с веществом и квантовой физики. Эти темы помогают объяснить, почему фотоны лазерного пучка могут быть согласованы.

Что запомнить

• Накачка передаёт энергию активной среде.
• Для усиления света нужна инверсная заселённость.
• При вынужденном излучении возникают фотоны, совпадающие с вызвавшим их фотоном по частоте, фазе и направлению.
• В резонаторе свет многократно проходит через активную среду.
• Частично прозрачное зеркало выпускает часть усиленного света наружу.
• Лазерное излучение усиливается за счёт вынужденного излучения.