§ 35. лазеры

Атом, находящийся в возбуждённом состоянии может самопроизвольно (спонтанно) перейти в состояние с меньшей энергией, излучив при этом квант света. Поэтому такое спонтанное излучение света соседними атомами является некогерентным. Некогерентный свет излучают атомы нагретых тел, например, спирали лампы накаливания. Свет, излучаемый газонаполненными лампами дневного света, тоже является некогерентным, так как в этом случае фотоны испускаются не одновременно, а при случайных столкновениях электронов, ионов и атомов, происходящих во время электрического разряда.  

Однако атом, находящийся в возбуждённом состоянии с энергией E_i, может перейти в состояние с энергией E_i не спонтанно, а под действием падающего на него света, если его частота n будет близка n_ik=(E_i-E_k)/h. Фотон такой частоты как бы «раскачивает» атом и быстро «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. При переходе атом излучает фотон, ничем не отличающийся от фотона, вызвавшего этот переход, и количество фотонов удваивается (рис. 35а). В результате, все атомы, находившиеся в возбуждённом состоянии с энергией E_i, одновременно переходят в состояние с энергией E_i, излучая фотоны одинаковой частоты (монохроматическое излучение) и фазы, которые образуют когерентное излучение. Такое излучение называют индуцированным.

В отличие от остальных источников света лазер является источником когерентного света, возникающего в результате индуцированного излучения. Слово "лазер" составлено из начальных букв слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате индуцированного излучения". В обычных условиях количество атомов, находящихся в основном состоянии, гораздо больше, чем в возбуждённом. Поэтому в таких условиях интенсивность индуцированного излучения очень мала, и чтобы сделать её больше, необходимо перевести в возбуждённое состояние как можно больше атомов. Вот, как это делается в рубиновом лазере.

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al₂O₃, содержащий небольшие примеси ионов хрома Cr³⁺, которые и придают рубину красный цвет. Стационарные состояния рубина включают в себя систему из трёх уровней (рис. 35б), нижнее из которых соответствует его основному состоянию, а два остальных (2 и 3) – возбуждённым, причём переход из 2 в 3 не сопровождается излучением света. Два возбуждённых состояния (2 и 3) отличаются между собой, так называемым временем жизни – интервалом, в течение которого атом может находиться в этом состоянии на своём пути к основному состоянию. Время жизни в состоянии 3 составляет всего 10^-8 с, а в состоянии 2 - около 10^-3 с.

Чем больше время жизни в данном состоянии, тем больше атомов в нём находится. Чтобы перевести в состояние 2 как можно больше атомов, кристалл рубина освещают мощным импульсом лампы-вспышки, в результате чего часть его атомов сначала переходит в состояние 3, а потом через 10^-8 с – в состояние 2, где их число постоянно увеличивается, т.к. они находятся там очень долго (в 100 000 раз дольше, чем в состоянии 3). В таких условиях всего один фотон с энергией, равной (Е₂-Е₁) способен вызвать лавинообразный рост индуцированного излучения с длиной волны l=694,3 нм. Чтобы увеличить число фотонов, принимающих участие в процессе индуцированного излучения, рубину придают форму цилиндрического стержня с параллельными торцами, один из которых делают полупрозрачным, а другой – зеркальным (рис. 35в). В результате многократного отражения фотонов от торцов рубинового стержня возникает мощный импульс когерентного монохроматического света.

С помощью лазеров можно создавать остро направленные пучки монохроматического света, способные переносить очень большую мощность, что делает их незаменимыми в самых различных областях науки, техники и медицины.  

    В 1964 советским физикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию лазера, была присуждена Нобелевская премия.

Вопросы для повторения:

·        Какое излучение называют индуцированным?

·        Как работает рубиновый лазер?

 

 

Рис. 35. (а) – схема индуцированного излучения; (б) – три состояния атома рубина, используемых в работе лазера; (в) – рубиновый стержень, левый торец которого зеркальный, а правый - полупрозрачный.