Основы теории излучения. Из законов квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2,...En..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = hn равна разности начального и конечного уровней:
hnmn = Em – En (1)
где h = 6,626176·10–34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.
Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10–8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.
Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):
n21 = (E2 – E1)/h. (2)
Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.
Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.
Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:
Il = I0e–kl, (3)
где I0 – исходная интенсивность, Il – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k. Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.
Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне En называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E2 ® E1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E1 ® E2) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k:
Il = I0eal (4)
На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.
Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).
Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E0 на самый верхний E3. Оттуда они спускаются на уровень E2, где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E0, испуская вынужденное излучение частотой n = (E2 – E0)/h, когерентное исходной волне.
Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.
Устройство лазера. Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверсной заселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.
Активная среда – вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.
Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения (см. ОПТИКА), в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).
Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.
После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, многократно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды излучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз.
Типы лазеров. Твердотельные лазеры. Первой твердой активной средой стал рубин – кристалл корунда Al2O3 с небольшой примесью ионов хрома Cr+++. Сконструировал его Т.Мейман (США) в 1960. Широко применяется также стекло с примесью неодима Nd, алюмо-иттриевый гранат Y2Al5O12 с примесью хрома, неодима и редкоземельных элементов в виде стержней. Накачкой твердотельных лазеров обычно служит импульсная лампа, вспыхивающая примерно на 10–3 секунды, а лазерный импульс оказывается раза в два короче. Часть времени тратится на создание инверсной заселенности, а в конце вспышки интенсивность света становится недостаточной для возбуждения атомов и генерация прекратится. Лазерный импульс имеет сложную структуру, он состоит из множества отдельных пиков длительностью порядка 10–6 секунды, разделенных промежутками, примерно, в 10–5 секунды. В этом режиме так называемой свободной генерации мощность импульса может достигать десятков киловатт. Повысить мощность, просто усиливая свет накачки и увеличивая размеры лазерного стержня, невозможно чисто технически. Поэтому мощность лазерных импульсов повышают, уменьшая их длительность. Для этого перед одним из зеркал резонатора ставят затвор, который не позволяет генерации начаться, пока на верхний уровень не будут переброшены практически все атомы активного вещества. Затем затвор на короткое время открывается и вся накопленная энергия высвечивается в виде так называемого гигантского импульса. В зависимости от запаса энергии и длительности вспышки мощность импульса может составлять от нескольких мегаватт до десятков тераватт (1012 ватт).
Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.
К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).
Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.
В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом:
Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.
Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr.
В соответствии с законами квантовой механики электроны в твердом теле занимают широкие энергетические полосы, состоящие из множества непрерывно расположенных уровней. Нижняя полоса, называемая валентной зоной, отделена от верхней зоны (зоны проводимости) так называемой запрещенной зоной, в которой энергетические уровни отсутствуют. В полупроводнике электронов проводимости мало, подвижность их ограничена, но под действием теплового движения отдельные электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, оставляя в ней пустое место – «дырку». И если электрон с энергией Eэ спонтанно возвращается обратно в зону проводимости, происходит его «рекомбинация» с дыркой, имеющей энергию Eд, которая сопровождается излучением из запрещенной зоны фотона частотой n = Eэ – Eд. Накачка полупроводникового лазера осуществляется постоянным электрическим током (при этом от 50 до почти 100% его энергии превращается в излучение); резонатором обычно служат полированные грани кристалла полупроводника.
Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны.
Свойства лазерного излучения. В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.
1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.
Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.
Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.
2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.
Связь между энергией равновесного излучения E данной частоты n и его температурой T задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) – энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре. Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии E в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.
Применение лазеров. Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, см. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ) и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования – снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.
Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.
2. Лазерная связь. Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.
3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).
4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.
5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.
Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полустолетием раньше.
Сергей Транковский
Брэгг У. Мир света. Мир звука. М., Наука,1967
Дунская И.М. Возникновение квантовой электроники. М., Наука, 1974
Тарасов Л.В. Лазеры: действительность и надежды. М., Наука, 1979
Транковский С. Книга о лазерах. М.,1988
