55. Лазер

Определения и обозначения

Лазер — источник света, в котором излучение усиливается за счёт вынужденного излучения. Название образовано от английских слов, означающих усиление света посредством вынужденного испускания. Лазеры создают узкие интенсивные пучки для передачи информации, точных измерений, лечения и обработки материалов.

Вынужденное излучение — испускание атомом фотона под действием проходящего фотона. В результате атом переходит с верхнего энергетического уровня на нижний, а энергия испущенного фотона равна разности энергий уровней. Новый фотон совпадает с вызвавшим его по частоте, фазе и направлению, поэтому такой процесс способен согласованно усиливать свет.

Инверсная населённость — состояние, при котором на верхнем энергетическом уровне данного перехода находится больше частиц, чем на нижнем. Обычно частицы преимущественно занимают состояния с меньшей энергией, поэтому инверсию приходится создавать специально. Она нужна, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением фотонов активной средой.

Оптический резонатор — система зеркал, между которыми многократно проходит излучение. Свет при каждом проходе взаимодействует с активной средой и может усиливаться. Одно зеркало пропускает часть света наружу, задавая направление выходного луча; процесс передачи энергии среде для получения инверсии называют накачкой.

Как это устроено

Атом может поглотить фотон, если его энергия соответствует разности между двумя энергетическими уровнями: тогда атом переходит на более высокий уровень. Возбуждённое состояние обычно неустойчиво, поэтому через некоторое время атом может самопроизвольно перейти вниз. При таком спонтанном переходе появляется фотон, но его направление и фаза не связаны с другими фотонами.

Если через возбуждённое вещество проходит фотон подходящей частоты, он может вызвать переход атома вниз. Атом испускает фотон, а энергия исходного фотона при этом сохраняется: после взаимодействия их становится два. Поскольку фотоны согласованы по частоте, фазе и направлению, они усиливают одну и ту же волну, а не образуют независимое излучение.

Одного возбуждённого атома недостаточно: в обычном веществе на нижнем уровне часто больше частиц, готовых поглотить фотоны. Чтобы вынужденное излучение стало вероятнее поглощения, на верхнем уровне создают больше частиц, чем на нижнем. Это состояние называют инверсной населённостью, а внешнюю передачу энергии активной среде — накачкой; её выполняют, например, светом или электрическим разрядом.

В резонаторе активная среда расположена между зеркалами, которые возвращают часть света обратно. Поэтому фотон проходит через среду много раз и на каждом проходе может вызвать новые акты вынужденного излучения. Усиление накапливается, а частично прозрачное зеркало выпускает часть света наружу; второе зеркало преимущественно отражает излучение обратно.

Лазерный свет обычно почти монохроматический, то есть имеет частоты в узком диапазоне, потому что резонатор поддерживает лишь подходящие ему колебания. Он когерентен: вынужденные фотоны имеют согласованные фазы. Луч узконаправлен, поскольку резонатор отбирает излучение, распространяющееся вдоль его оси, а фотоны при вынужденном переходе сохраняют направление вызвавшего их света.

Спонтанное и вынужденное излучение, лазерный свет

Сравнивайте сначала причину возникновения излучения, а затем его свойства: так легче отличить спонтанный процесс от вынужденного. Последний становится основой лазерного света благодаря согласованности фотонов и многократному усилению в резонаторе.

Разбор задач

Задача 1. Энергия атома уменьшилась на 2,0 эВ. Определите частоту излучённого фотона. Для связи энергии фотона с частотой используйте ΔE = hν, где h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с. Сначала переведём энергию в джоули, поскольку значение постоянной Планка дано в этих единицах.

1. Переводим: ΔE = 2,0·1,602·10⁻¹⁹ Дж = 3,204·10⁻¹⁹ Дж.
2. Из формулы выражаем частоту: ν = ΔE / h = 3,204·10⁻¹⁹ / 6,63·10⁻³⁴ ≈ 4,8·10¹⁴ Гц.
3. Ответ: частота фотона приблизительно равна 4,8·10¹⁴ Гц.

Задача 2. На нижнем энергетическом уровне находятся 8·10¹⁸ атомов, на верхнем — 3·10¹⁸. Проверим, больше ли населён верхний уровень, чем нижний. Сравнивать нужно именно уровни одного перехода, а не общее количество атомов в среде.

1. Записываем числа: Nверх = 3·10¹⁸, Nниз = 8·10¹⁸.
2. Проверяем условие инверсии: Nверх > Nниз. Здесь 3·10¹⁸ меньше 8·10¹⁸.
3. Ответ: инверсная населённость не создана.

Задача 3. Фотон частоты 5,0·10¹⁴ Гц вызывает переход атома с верхнего уровня на нижний. Найдите разность энергий уровней и опишите испущенный при вынужденном переходе фотон. Используем ΔE = hν, принимая h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с.

1. Подставляем данные: ΔE = 6,63·10⁻³⁴·5,0·10¹⁴ = 3,315·10⁻¹⁹ Дж.
2. Округляем результат с учётом точности исходных данных: ΔE ≈ 3,3·10⁻¹⁹ Дж.
3. При вынужденном переходе испущенный фотон совпадает с вызвавшим его фотоном по частоте, фазе и направлению. Ответ: разность энергий равна примерно 3,3·10⁻¹⁹ Дж.

Типичные ошибки

Считать, что лазерный свет появляется просто при нагревании вещества, — ошибка: нагревание само по себе не гарантирует нужного соотношения числа частиц на уровнях. Так думают, потому что нагрев действительно передаёт телу энергию. Проверьте себя: в объяснении работы лазера должны быть названы накачка и создание инверсной населённости.

Путать вынужденное излучение со спонтанным — значит упускать причину появления фотона. В первом случае переход вызывает проходящий фотон, во втором атом испускает фотон самопроизвольно. Чтобы проверить ответ, спросите себя, зависит ли испускание от внешнего фотона и согласованы ли фотоны по фазе и направлению.

Иногда инверсией называют просто наличие возбуждённых атомов, не сравнивая их числа. Это неточно: сравнивают населённости верхнего и нижнего уровней именно соответствующего перехода. Для самопроверки запишите условие Nверх > Nниз; если оно не выполнено, инверсии нет.

Считать зеркала резонатора только отражателями — неполное объяснение их работы. Свет между зеркалами многократно проходит через активную среду и усиливается, а частично прозрачное зеркало выпускает часть излучения наружу. Проверьте себя: в ответе должны быть указаны и повторное прохождение света, и вывод луча.

Связь с другими темами

Для понимания лазера нужны знания об энергетических уровнях атома, поглощении и испускании фотонов. Связь энергии фотона с частотой выражается формулой ΔE = hν и позволяет рассчитывать параметры излучения. Квантовые представления объясняют, как свет взаимодействует с веществом, а принцип работы лазера помогает понять устройство приборов связи, медицины, измерительной техники и промышленности.

Что запомнить

• Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.
• Для усиления излучения в активной среде создают инверсную населённость.
• Накачка передаёт энергию активной среде.
• Вынужденный фотон совпадает с вызвавшим его фотоном по частоте, фазе и направлению.
• Оптический резонатор обеспечивает многократное прохождение света через активную среду.
• Часть усиленного света выходит через частично прозрачное зеркало.