§ 63. Лазеры

Определения и обозначения

Лазер, или оптический квантовый генератор, — устройство, создающее интенсивное направленное излучение за счёт вынужденного излучения. Он нужен для получения узкого и хорошо согласованного светового пучка. Такие свойства используют в связи, медицине, технике и измерениях.

Вынужденное излучение — излучение атома под действием фотона, при котором испускается фотон с такими же частотой, фазой, направлением и поляризацией. Поэтому один фотон может запускать появление другого, полностью согласованного с ним. Именно этот процесс позволяет усиливать свет.

Инверсная населённость — состояние вещества, в котором на верхнем энергетическом уровне находится больше атомов, чем на нижнем. В обычном равновесии чаще бывает наоборот, поэтому инверсию приходится создавать искусственно. Она нужна, чтобы излучение преобладало над поглощением.

Оптический резонатор — система зеркал, многократно пропускающая свет через активную среду и усиливающая излучение. Резонатор поддерживает направленное движение фотонов и помогает накопить согласованный свет. Одно из зеркал выпускает наружу часть усиленного излучения.

Как это устроено

При самопроизвольном переходе возбуждённый атом испускает фотон без внешнего воздействия, в случайный момент и с независимыми характеристиками. Такой процесс не создаёт согласованного потока света, потому что разные атомы излучают несинхронно. При вынужденном переходе уже летящий фотон воздействует на возбуждённый атом и вызывает появление второго фотона с теми же параметрами. Поэтому вынужденное излучение становится основой усиления и упорядоченности лазерного пучка.

Одного возбуждения отдельных атомов недостаточно: в веществе одновременно происходит и поглощение фотонов атомами нижнего уровня. Если таких атомов больше, чем атомов на верхнем уровне, поглощение может компенсировать или превысить вынужденное излучение. Поэтому создают инверсную населённость, при которой возбуждённых атомов на нужном переходе больше. В равновесном состоянии она сама собой не возникает, поскольку частицы обычно стремятся занять состояния с меньшей энергией.

Энергию атомам передают с помощью накачки: это может быть яркий источник света, электрический разряд или другой способ возбуждения. Атомы переходят на более высокие уровни, но быстрое возвращение не всегда позволяет накопить их там. Поэтому в рабочей схеме используют метастабильный уровень, на котором атом находится сравнительно долго. За это время на нём накапливается большое число атомов, и формируется необходимая инверсная населённость.

Когда фотон подходящей энергии проходит через активную среду, он вызывает вынужденное излучение возбуждённого атома. Число фотонов увеличивается, причём новые фотоны сохраняют направление, частоту, фазу и поляризацию исходного. Каждый из них может вызвать следующий акт излучения, поэтому усиление нарастает. Так слабый первоначальный сигнал превращается в поток согласованных фотонов.

Зеркала оптического резонатора возвращают свет обратно в активную среду, и он проходит через неё много раз. При каждом проходе часть фотонов вызывает новые акты вынужденного излучения, компенсируя потери на поглощение и рассеяние. Одно зеркало делают частично прозрачным, поэтому небольшая доля усиленного света выходит наружу. Этот выходящий поток и является лазерным пучком.

Основные элементы лазера и их роль

Таблицу удобно читать как цепочку работы устройства: накачка подготавливает активную среду, а резонатор использует созданные условия для усиления света. Последняя строка показывает, каким образом излучение покидает лазер. Если мысленно убрать любой элемент, станет понятно, какой этап образования пучка нарушится.

Разбор задач

Задача 1. Вынужденное и самопроизвольное излучение

Условие. Объяснить, чем вынужденное излучение отличается от самопроизвольного. Нужно сравнить причину испускания фотона и свойства возникающего излучения.

1. При самопроизвольном переходе атом испускает фотон сам, без воздействия другого фотона. Момент перехода и направление излучения не задаются внешним сигналом.
2. При вынужденном переходе через возбуждённый атом проходит фотон подходящей энергии. Он вызывает испускание второго фотона.
3. Проверяем результат сравнения: новый фотон совпадает с вызвавшим его по частоте, фазе, направлению и поляризации. Значит, излучение оказывается согласованным и может усиливаться.

Ответ: самопроизвольное излучение возникает независимо от внешнего фотона, а вынужденное вызывается им и полностью с ним согласовано.

Задача 2. Возникновение лазерного пучка

Условие. Описать последовательность процессов после включения накачки. Требуется связать подготовку среды, вынужденное излучение и работу резонатора.

1. Накачка передаёт энергию атомам активной среды и переводит их на возбуждённые уровни.
2. Часть атомов накапливается на метастабильном уровне. Когда верхний уровень оказывается населён сильнее нижнего, возникает инверсная населённость.
3. Случайный фотон подходящей частоты вызывает вынужденное излучение. Появившиеся фотоны имеют одинаковые параметры и могут запускать новые переходы.
4. Зеркала резонатора возвращают свет через активную среду, поэтому число согласованных фотонов растёт при каждом проходе. Через частично прозрачное зеркало выходит узкий усиленный пучок.

Ответ: накачка создаёт инверсию, вынужденное излучение усиливает свет, а резонатор многократно поддерживает этот процесс и выводит часть излучения наружу.

Задача 3. Энергия фотона лазерного излучения

Условие. Найти энергию фотона лазерного излучения с длиной волны λ = 600 нм. Используем формулу E = hc/λ, где h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с, c = 3,0 · 10⁸ м/с.

1. Переводим длину волны в единицы СИ: 600 нм = 600 · 10⁻⁹ м = 6,0 · 10⁻⁷ м.
2. Подставляем величины: E = (6,63 · 10⁻³⁴ · 3,0 · 10⁸)/(6,0 · 10⁻⁷) Дж.
3. Сначала перемножаем числитель: 6,63 · 3,0 = 19,89, а показатели степеней дают 10⁻²⁶. Деление на 6,0 · 10⁻⁷ даёт примерно 3,3 · 10⁻¹⁹ Дж.

Ответ: энергия одного фотона E ≈ 3,3 · 10⁻¹⁹ Дж.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при вынужденном излучении испущенный фотон отличается от вызвавшего его. Так думают, потому что при обычном самопроизвольном излучении свойства фотонов не задаются заранее. Проверка проста: у вынужденных фотонов совпадают частота, фаза, направление и поляризация.

Ошибка: путать инверсную населённость с обычным возбуждением части атомов. Сам факт наличия возбуждённых атомов ещё не означает, что их больше, чем атомов на нижнем уровне. Проверьте именно соотношение населённостей двух уровней.

Ошибка: полагать, что накачка непосредственно создаёт лазерный луч. На самом деле она передаёт энергию атомам и подготавливает активную среду, а луч возникает благодаря последующему усилению. Спросите себя, какой процесс создаёт согласованные фотоны: это вынужденное излучение.

Ошибка: считать оба зеркала резонатора полностью отражающими. Тогда свет не смог бы выйти наружу, хотя внутри он мог бы усиливаться. Проверьте назначение выходного зеркала: оно частично пропускает излучение и формирует пучок.

Связь с другими темами

Для понимания лазеров нужны знания об энергетических уровнях атома, поглощении и испускании фотонов. Также используется связь энергии фотона с частотой и длиной волны: E = hν = hc/λ. Эти зависимости помогают объяснить, почему излучение возникает только при определённых переходах.

Вынужденное излучение и квантовые переходы связывают тему лазеров с атомной физикой. Те же идеи применяются в квантовых генераторах, работающих не только в оптическом, но и в других диапазонах электромагнитного излучения.

Что запомнить

• Лазер основан на вынужденном излучении.
• Для усиления света в активной среде создают инверсную населённость.
• Накачка передаёт энергию атомам активной среды.
• Метастабильный уровень помогает накопить возбуждённые атомы.
• Резонатор многократно направляет свет через активную среду.
• Лазерный пучок отличается направленностью и согласованностью излучения.