§ 47. Лазеры

Определения и обозначения

Лазер — источник когерентного, узконаправленного и обычно монохроматического излучения. Когерентность означает согласованность световых волн по фазе, узкая направленность — малое расхождение луча, а монохроматичность — почти одну частоту. Эти свойства позволяют применять лазеры в связи, медицине, измерениях и обработке материалов.

Вынужденное излучение — излучение атома или другой частицы под действием падающего фотона. При этом возникает новый фотон с такой же частотой, фазой и направлением распространения, как у вызвавшего его фотона. Именно этот процесс превращает один согласованный фотон во множество подобных ему.

Инверсная населённость — состояние среды, в котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. В обычном равновесии чаще заполнен нижний уровень, поэтому свет в основном поглощается. Инверсия нужна, чтобы вынужденное излучение стало сильнее поглощения.

Оптический резонатор — система зеркал, между которыми свет многократно проходит через активную среду. При каждом проходе он вызывает новые акты вынужденного излучения и усиливается. Одно из зеркал делают частично прозрачным, чтобы часть накопленного света вышла наружу.

Как это устроено

Сначала внешняя энергия, называемая накачкой, передаётся частицам активной среды. Накачка может осуществляться светом, электрическим разрядом или другим способом, способным перевести частицы на более высокие энергетические уровни. Без такого притока энергии частицы быстро вернулись бы в исходное состояние, а устойчивое усиление света не возникло бы.

Одного возбуждения частиц недостаточно, потому что возбуждённый атом может поглотить фотон или испустить его самопроизвольно. Поэтому накачка должна создать инверсную населённость: частиц на верхнем рабочем уровне становится больше, чем на нижнем. Тогда при прохождении света число актов вынужденного излучения превышает число актов поглощения, и световой поток увеличивается.

Фотон вызывает вынужденное излучение, если его энергия соответствует разности энергетических уровней частицы: E = hν. Возбуждённая частица переходит на нижний уровень и испускает второй фотон. Он совпадает с вызвавшим фотоном по частоте, фазе и направлению, поэтому возникшие волны усиливают друг друга и сохраняют согласованность.

Активная среда содержит частицы, способные излучать при переходах между энергетическими уровнями. Помещённая между зеркалами, она взаимодействует со светом не один раз, а многократно. Каждый проход увеличивает количество согласованных фотонов, поэтому даже слабое начальное излучение постепенно превращается в мощный поток.

Оптический резонатор возвращает свет в активную среду и отбирает направления, при которых волны лучше всего поддерживают друг друга. Одно зеркало отражает почти весь свет, а второе пропускает небольшую часть усиленного излучения. Свойства вынужденного излучения объясняют результат: одинаковые фазы дают когерентность, одинаковые направления — узкий луч, а отбор частот — почти монохроматический спектр.

Спонтанное и вынужденное излучение и принцип действия лазера

Таблица показывает, как отдельные процессы складываются в работу лазера. При чтении полезно проследить цепочку от передачи энергии до выхода готового луча. Особенно важно отличать спонтанное излучение, создающее начальные фотоны, от вынужденного, обеспечивающего усиление.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Объясните, почему одно лишь возбуждение атомов активной среды ещё не гарантирует усиления света. Нужно связать возбуждение атомов с условиями, при которых излучение действительно возрастает.

1. Возбуждённые атомы могут испускать фотоны самопроизвольно, но такие фотоны не обязательно вызывают новые согласованные излучения.
2. Если на нижнем уровне частиц больше, чем на верхнем, падающие фотоны чаще поглощаются, чем порождают новые фотоны.
3. Накачка должна создать инверсную населённость, при которой верхний уровень заполнен сильнее нижнего.

Ответ. Возбуждение само по себе не гарантирует усиления. Усиление возникает только при инверсной населённости, когда вынужденное излучение преобладает над поглощением.

Задача 2

Условие. В активной среде фотон с частотой 5·10¹⁴ Гц вызывает вынужденное излучение. Определите частоту возникшего фотона.

1. При вынужденном излучении новый фотон имеет ту же частоту, что и фотон, вызвавший переход.
2. Подставляем известное значение: ν_нов = ν_пад = 5·10¹⁴ Гц.

Ответ. Частота возникшего фотона равна 5·10¹⁴ Гц.

Задача 3

Условие. Объясните роль накачки, активной среды и зеркал резонатора в получении лазерного излучения.

1. Накачка передаёт энергию частицам и создаёт инверсную населённость.
2. Активная среда содержит эти частицы, поэтому проходящий фотон вызывает в ней вынужденное излучение и усиливается.
3. Зеркала многократно возвращают свет через среду, а полупрозрачное зеркало выводит часть усиленного потока.

Ответ. Накачка создаёт запас энергии, активная среда усиливает свет, а резонатор обеспечивает многократное прохождение и вывод лазерного луча.

Типичные ошибки

Считать, что любой возбуждённый атом обязательно излучает под действием внешнего фотона, неверно: фотон должен иметь подходящую энергию. Ошибку допускают, забывая о соответствии энергии фотона разности уровней; проверка — сравнить условие E = hν с переходом.

Путать вынужденное излучение со спонтанным тоже нельзя. При спонтанном процессе направление и фаза случайны, а при вынужденном параметры нового фотона согласованы с вызвавшим его. Если в объяснении не указана роль падающего фотона, процесс, вероятно, определён неправильно.

Накачка сама не создаёт готовый лазерный луч. Она лишь передаёт энергию среде и помогает получить инверсную населённость; усиление происходит благодаря вынужденному излучению. Проверьте себя вопросом: описаны ли в рассуждении активная среда и резонатор?

Резонатор не просто направляет уже готовый луч. Он многократно пропускает свет через активную среду, поддерживает усиление и выводит часть потока через полупрозрачное зеркало. Если упомянуто только направление, но не повторные проходы, описание неполно.

Связь с другими темами

Для понимания лазеров нужны знания об энергетических уровнях атома, поглощении и испускании фотонов, а также связь энергии фотона с частотой. Тема опирается на свойства волн, интерференцию и когерентность света. Принцип действия лазеров связан с последующим изучением оптики и объясняет их применение в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях.

Что запомнить

• Лазерное излучение возникает благодаря вынужденному излучению в активной среде.
• Для усиления света необходимо создать инверсную населённость.
• Накачка передаёт энергию частицам активной среды.
• При вынужденном излучении возникают фотоны с частотой, фазой и направлением, совпадающими с вызвавшим их фотоном.
• Резонатор обеспечивает многократное прохождение света через активную среду.
• Лазерный луч отличается высокой направленностью, когерентностью и узким спектром.