3.2 Лазер как источник светового излучения

Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неиз­менные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным ато­мом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэто­му дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее «запрещены», т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не со­всем буквально).

В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых эксперимен­тальных образцов лазера — в рубиновом лазере.

В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень Е1, и состояние Е2. Переход с уровня Е2 на основной Е1, строго говоря, запре­щен, т. е. электрон на уровне Е2 мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне Е2 электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других неста­бильных состояниях (10-8 c) это — длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию Е2 свойства накопителя энергии.

Если стержневидный рубиновый кристалл (Al2О3) с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего, в ре­зультате подведенной световой энергии электроны с основного уровня Е1 переносятся в энергетическую зону Е2 (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону Е3 но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден «накачан», более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень Е2, первона­чально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состоя­ние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накаплива­ется.

С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния Е2 в состояние Е1, и при этом отдает энергию излучения — сравнительно короткую последовательность коле­баний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кри­сталл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий Е2 и Е1, и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.

Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Ин­дуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим колебанием та­ким образом, что с полным основанием можно говорить об «усилении света индуциро­ванной эмиссией излучения". Отсюда произошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.

Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если на­нести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.

В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодиче­ски возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вы­зывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, раз­работанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гра­нат (YA3Al5O12) с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 — 810 нм, основной лазерный переход — на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)

3.3 Высокая степень когерентности требует затрат

Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие мате­риалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществ­ляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.

Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбужде­ния подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке дли­ной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электро­дами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы, прежде всего, пе­ревести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние индуцированное излучение.

Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является на­личие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе тор­цевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отли­чается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем — оптически точно выверенная — вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зер­кала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере, одно из зеркал дела­ется полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор («окно Брюстера»).