<<
>>

1.10. Осуществление пространственной когерентности в лазерах

Для традиционно используемых источников света характерна некогерентность излучения, которое складывается из некогерентных между собой лучей, хаотично испускаемых микроскопическими элементами источника — атомами и молекулами.

Имея такое излучение, добиться когерентности лучей можно лишь одним, уже рассмотренном нами классическим способом, найденным ещё Френелем — разделением луча.

В начале 60-х годов были созданы источники иного типа — лазеры. В них электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях, удалённых друг от друга на макрорасстояния, оказывается когерентными, то есть согласованными между собой. Таким же свойством обладают источники радиоволн, что весьма существенно для использования их в средствах связи. Когерентность излучения лазеров проявляется во всех свойствах их излучения, которые делают это излучение отличным от излучения всех известных нам ранее источников света.

Уместно напомнить, что излучаемая энергия определяется энергией, подводимой к источнику излучения. Лазеры энергию не производят, а, как и обычные источники, лишь преобразуют её в световую.

Название оптического квантового генератора — лазер (LASER)— составлено из первых букв английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света вынужденным излучением. Проясним эту фразу.

Индуцированное, или вынужденное, излучение отличается от спонтанного тем, что атом сбрасывает запасённую им энергию не случайным образом, а лишь в тот момент, когда на него падает электромагнитная волна соответствующей частоты. А. Эйнштейн в 1920 г. описал его, исходя из теоретических соображений. Позднее существование вынужденного излучения было подтверждено целым рядом опытных фактов. Волны, возникающие в результате вынужденных переходов, когерентны с волной, вызвавшей эти переходы: частота, фаза, направление распространения и поляризация волны, вынужденно испущенной атомом, полностью совпадают с характеристиками волны, вызвавшей переход атома в состояние с меньшей энергией.

Положение об индуцированном (вынужденном) испускании есть первая из трёх фундаментальных идей, легших в основу принципа действия лазеров.

Вторая фундаментальная идея принадлежит советскому физику В. А. Фабриканту (1950 г.). Суть её сводится к тому, что благодаря индуцированному излучению свет можно усилить, пропуская его через специальным образом подготовленную среду. Обычно прохождение света через среду приводит к ослаблению луча вследствие его поглощения. Если же среда будет преимущественно состоять из атомов, находящихся в возбуждённом состоянии, то проходящий через неё свет вызовет индуцированное излучение каждого атома, что приведёт к его усилению.

На рис. 1.21. показана принципиальная схема усиления света за счёт вынужденного излучения. Возбуждённый атом А испускает волну в результате самопроизвольного, случайного (спонтанного) излучения. Свет, им испущенный, идёт во все стороны. Если атом находится в среде, где все его соседи находятся в возбуждённом состоянии (запасли энергию), то волна, испущенная атомом А, вызовет индуцированное излучение по всем направлениям, волна будет усилена. Для направления, совпадающего с осью того тела, в котором атомы возбуждены, усиление будет максимальным, а в перпендикулярном направлении — наименьшим.

Вещество (твердое тело, газ, жидкость), в котором атомы преимущественно находятся в возбуждённом состоянии, называют активной средой. Для её создания необходимо к веществу (лазеру) подводить энергию. Процесс превращения обычного вещества в активную среду именуют накачкой. В мощных лазерах, работающих в импульсном режиме, процессы накачки и излучения разделены во времени. В лазерах, работающих в непрерывном режиме, эти процессы идут одновременно.

Для создания активной среды необходимо подобрать вещество, атомы которого могут оставаться в возбуждённом состоянии не обычные 10–8 с, а много дольше. Атомы хрома, входящие в состав рубина, могут находиться в возбуждённом состоянии 10–3 с — в сто тысяч раз дольше! Рубин был использован для создания первого в истории (1960 г.) лазера, который работал в импульсном режиме. Накачка в нём осуществлялась светом.

В гелий–неоновом лазере смесь этих двух благородных газов в соотношении примерно 5:1 обладает увеличенным временем жизни возбуждённого состояния. Накачка производится электрическим разрядом, лазер работает в непрерывном режиме, испуская красный свет с длиной волны 632,8 нм.

Третья фундаментальная идея имеет радиотехнические корни, и её обсуждение выходит за рамки курса общей физики.

В 1964 году за разработку и создание квантовых генераторов советским учёным Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Остановимся теперь на основной отличительной черте лазерного луча — на его когерентности по всему сечению. Это свойство поясняется рис. 1.22, где показан заполненный активной средой источник, имеющий форму параллелепипеда. Среди всех сечений этого параллелепипеда выделим одно сечение Z1, находящееся на расстоянии l1 от экрана с центром в точке А. Свет, самопроизвольно испущенный одним из атомов в точке О1, усиливается за счёт индуцированного излучения атомов, находящихся на его пути. Чем больший путь проходит свет, тем большее количество возбуждённых атомов сбрасывает энергию в виде волн, когерентных первичной волне, исходящей из точки О1.

Наибольшее усиление свет испытает в направлении Z, поскольку там на его пути встречается наибольшее число возбуждённых атомов.

Запишем для точки А уравнение волны, испущенной плоскостью Z1:

. (1.28)

Здесь φ01 — начальная фаза колебаний для указанной плоскости; l1 — расстояние от плоскости Z1 до точки А. Очевидно, что для лучей, испущенных плоскостью z2, расстояние l2 до точки А уменьшается, а начальная фаза φ02 возрастает, так как колебания на плоскости z2 возникнут позднее.

Фаза же волны Е2, пришедшей в точку А от плоскости z2, будет равна фазе волны Е1: φ1 = φ2.

Следовательно, волны, излучаемые разными сечениями, приходят в точку наблюдения с одинаковыми фазами. Это правило выполняется не только для точки А, но и для всех точек экрана. Амплитуда суммарного поля в каждой его точке может быть найдена как сумма амплитуд колебаний, испущенных разными сечениями. Поскольку фазы этих колебаний одинаковы, то, построив диаграмму сложения амплитуд для всего множества векторов, каждый из которых характеризует излучение одной плоскости, получим прямую цепочку векторов, дающую максимально возможную амплитуду колебаний, возможную лишь при разности фаз, равной нулю (рис. 1.23).

Сравнивая полученный результат с результатом сложения амплитуд обычного источника (см. рис. 1.4 и 1.16), уясняем себе первую причину, обеспечивающую лазерному лучу его удивительную яркость — это одинаковая фаза всех волн, приходящих в точку наблюдения от любых сечений протяжённого источника света.

Помимо этого, рассмотренные выше особенности движения луча через активную среду и связанное с этим индуцированное излучение приводят к пространственной когерентности луча не только по длине, но и по всему его сечению, что обеспечивает малую расходимость и, соответственно, острую направленность луча. Вследствие этого плотность энергии, переносимой лучом лазера, значительно превосходит плотность потока энергии от обычных источников света. Для сравнения приведём такие цифры: напряжённость поля в лазерном луче составляет 104 в/см, что в тысячу раз больше напряжённости в лучах Солнца в полдень на экваторе. И второе сравнение: чтобы от нагретого тела получить излучение, равное по плотности лазерному, температуру его нужно довести до 108 К!

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 1.10. Осуществление пространственной когерентности в лазерах:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. Испытательный стенд
  3. § 3. Природа полномочий суда места арбитража на отмену арбитражного решения и последствия такой отмены
  4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  5. 2.7 Вычисление трехмерных координат сопоставленных точек
  6. Костанов Ю.А.. Слово и «Дело» M.: Р.Валент,2006. — 328 с., 2006
  7. Испытательный стенд
  8. 2. Административно-правовой порядок рассмотрения обращений граждан
  9. 44. Договор возмездного оказания услуг.
  10. 4. Формы управленческой деятельности, их классификация
  11. Алгоритм калибровки системы оптико-электронных датчиков в оптико-электронном устройстве
  12. ВВЕДЕНИЕ
  13. 57. Платежное поручение как форма безналичных расчетов.
  14. 2. Принципы административного процесса