§ 96. Лазеры

Определения и обозначения

Лазер — источник света, действие которого основано на усилении света вынужденным излучением. Слово образовано от названия этого процесса: усиления света излучением. Лазер нужен, когда требуется получить направленный и согласованный световой пучок.

Вынужденное излучение — испускание атомом фотона под действием проходящего фотона. Испущенный фотон совпадает с вызвавшим его по частоте, фазе и направлению. Это сходство позволяет фотонам усиливать друг друга, а не образовывать несогласованный свет.

Инверсная населённость — состояние вещества, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. «Населённость» здесь означает число частиц на уровне. Такое распределение необходимо, чтобы среда в целом добавляла фотоны, а не преимущественно поглощала их.

Оптический резонатор — система зеркал, многократно пропускающая свет через активную среду и обеспечивающая усиление излучения. Активная среда — вещество, в котором возникает усиление. Резонатор возвращает свет в эту среду, а его выходное зеркало позволяет получить пучок.

Как это устроено

Атом может находиться на разных энергетических уровнях. Если он переходит с верхнего уровня E₂ на нижний E₁, разность энергий уносит фотон: hν = E₂ − E₁, где h — постоянная Планка, а ν — частота излучения. Чем больше разность энергий, тем больше частота испущенного фотона. Этот переход может быть как самопроизвольным, так и вызванным внешним фотоном.

При вынужденном излучении фотон, проходя рядом с возбуждённым атомом, вызывает его переход на нижний уровень. Атом испускает второй фотон, совпадающий с первым по частоте, фазе и направлению. Поэтому оба фотона распространяются согласованно и могут вызвать такие же переходы в других атомах. Так свет усиливается не просто за счёт увеличения числа фотонов, но и сохраняет их согласованность.

Однако атомы способны не только испускать, но и поглощать фотоны. Если на нижнем уровне частиц больше, чем на верхнем, поглощение может компенсировать или превысить усиление. Поэтому активную среду накачивают энергией — например, светом или электрическим разрядом, в зависимости от устройства лазера. Накачка возбуждает частицы и создаёт инверсную населённость, при которой вынужденное излучение становится преобладающим.

Активную среду помещают между зеркалами оптического резонатора. Фотон отражается от зеркал и проходит через среду снова и снова, вызывая новые акты вынужденного излучения. При каждом проходе число согласованных фотонов может увеличиваться, если усиление достаточно для компенсации потерь. Так резонатор обеспечивает обратную связь и помогает сформировать усиливающийся световой пучок.

Одно из зеркал делают частично прозрачным, поэтому часть света выходит наружу и образует лазерный пучок. Его высокая направленность означает, что свет распространяется в узком диапазоне направлений; монохроматичность — что частоты близки друг к другу. Когерентность означает согласованность фаз волн. Эти свойства связаны с тем, что вынужденное излучение создаёт фотоны, согласованные с проходящим светом.

Излучение света и усиление в лазере

Сравнивайте столбцы по одной строке: так легче проследить, чем отличаются причины и свойства излучения. Спонтанное и вынужденное излучения описывают отдельные процессы в атомах, а лазерный пучок — результат работы источника. Прочерк означает, что характеристика не относится к данному столбцу.

Разбор задач

Почему вынужденное излучение усиливает свет?

Условие. Объясните, почему при вынужденном излучении возникает усиление света. Требуется сравнить фотон, проходящий через среду, с фотоном, испускаемым возбуждённым атомом. Главное — не ограничиться тем, что фотонов становится больше, а указать, почему они могут усиливать исходный пучок.

1. Падающий фотон встречает атом на верхнем энергетическом уровне и вызывает его переход на нижний.
2. При переходе атом испускает второй фотон. Он совпадает с падающим фотоном по частоте, фазе и направлению.
3. После взаимодействия вместо одного согласованно распространяющегося фотона оказываются два. Поэтому поток света усиливается и сохраняет свои свойства.

Ответ: число фотонов увеличивается, а новые фотоны согласованы с исходным по частоте, фазе и направлению.

Частота фотона при переходе между уровнями

Условие. Разность энергий уровней равна 2,0 эВ, постоянная Планка h = 4,14·10⁻¹⁵ эВ·с. Нужно найти частоту испускаемого фотона. Единицы удобны: энергия дана в электронвольтах, а h — в электронвольт-секундах.

1. Записываем связь энергии фотона и частоты: hν = E₂ − E₁.
2. Выражаем частоту: ν = (E₂ − E₁)/h.
3. Подставляем данные: ν = 2,0/(4,14·10⁻¹⁵) с⁻¹ ≈ 0,483·10¹⁵ с⁻¹.
4. Приводим результат к стандартной записи: ν ≈ 4,8·10¹⁴ Гц.

Ответ: частота фотона приблизительно равна 4,8·10¹⁴ Гц. Проверка порядка величины показывает, что результат соответствует частоте видимого света.

Будет ли усиливать свет среда без инверсии?

Условие. В активной среде на нижнем уровне находится больше атомов, чем на верхнем. Нужно определить, будет ли среда усиливать проходящий свет, и указать, что следует изменить. Также требуется объяснить назначение резонатора, не приписывая ему роль источника энергии.

1. При таком распределении частиц больше атомов может поглощать фотоны, чем испускать их вынужденно. Значит, усиление не преобладает над поглощением.
2. Среду нужно накачивать энергией, чтобы перевести больше частиц на верхний уровень и создать инверсную населённость.
3. Зеркала резонатора возвращают свет через активную среду много раз. Это даёт больше возможностей для вынужденного излучения и усиливает свет при наличии инверсии.

Ответ: без инверсной населённости среда не будет эффективно усиливать свет. Накачка создаёт нужное распределение, а резонатор обеспечивает многократное прохождение света; сам он энергию среде не передаёт.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любой переход вниз вынужденным. Переход может произойти самопроизвольно, без падающего фотона, — это спонтанное излучение. Путаница возникает потому, что в обоих случаях атом переходит на нижний уровень. Проверьте себя вопросом: было ли внешнее излучение, вызвавшее переход?

Ошибка: учитывать у вынужденного фотона только ту же частоту. Он также совпадает с исходным фотоном по фазе и направлению. Частоту запоминают как связь с энергией перехода, но забывают остальные свойства. Для проверки перечислите все три совпадения: частота, фаза, направление.

Ошибка: путать инверсную населённость с обычным распределением частиц. Для усиления наверху должно быть больше частиц, чем внизу, а не наоборот. Ошибка появляется, если считать, что основная масса атомов всегда должна быть на нижнем уровне и этого достаточно для работы лазера. Сравните числа частиц на двух уровнях: верхний должен быть населён сильнее.

Ошибка: считать резонатор источником света. Зеркала возвращают фотоны в активную среду, но сами не обеспечивают её энергией. Их роль можно перепутать с накачкой, поскольку оба элемента необходимы для работы лазера. Проверьте объяснение: энергию передаёт накачка, а резонатор обеспечивает обратную связь и повторные проходы света.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в работе лазера, нужно знать строение атома, энергетические уровни и переходы между ними. Эти понятия объясняют, откуда берётся энергия фотона и почему атомы могут поглощать или испускать свет. Тема продолжает изучение квантовой физики: в ней важны дискретные значения энергии и взаимодействие света с атомами. Свойства лазерного излучения помогают понять его применение в связи, медицине, промышленности и измерительной технике.

Что запомнить

• Энергия фотона при переходе между уровнями равна разности энергий этих уровней.
• Вынужденное излучение вызывается падающим фотоном.
• Испущенный вынужденно фотон совпадает с вызвавшим его фотоном по частоте, фазе и направлению.
• Для усиления света нужна инверсная населённость.
• Накачка передаёт энергию активной среде.
• Резонатор усиливает излучение за счёт многократного прохождения света через активную среду.
• Лазерный свет характеризуется высокой направленностью, монохроматичностью и когерентностью.