Физические основы генерации когерентного излучения
Явление вынужденного излучения лежит в основе функционирования лазеров. При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом возможны три фундаментальных процесса: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение. При поглощении фотон возбуждает атом или молекулу, переводя её из нижнего энергетического уровня на верхний. Спонтанное излучение происходит при самопроизвольном переходе возбужденной частицы на более низкий уровень с испусканием фотона. Однако вынужденное (индуцированное) излучение возникает, когда внешний фотон индуцирует переход возбужденного атома в основное состояние с испусканием второго фотона, когерентного с первым.
Вынужденное излучение, описанное Эйнштейном в 1917 году, характеризуется тем, что результирующий фотон совпадает с индуцирующим по частоте, фазе, поляризации и направлению. Это и обеспечивает когерентность лазерного излучения, его монохроматичность и направленность.
Инверсная заселённость как необходимое условие
Для того чтобы вынужденное излучение доминировало над поглощением, необходимо создать в активной среде состояние инверсной заселённости: число частиц на верхнем энергетическом уровне должно превышать число частиц на нижнем. Это противоречит условиям термодинамического равновесия и достигается путём внешнего воздействия — накачки.
Накачка может быть оптической (например, с помощью фотовспышек или другого лазера), электрической (разряд в газе), химической (энергия химической реакции), электронно-лучевой, ядерной и др. Эффективность накачки определяет порог генерации и мощность лазера.
Трёх- и четырёхуровневые схемы лазеров
Для реализации инверсной заселённости используются трёхуровневая или четырёхуровневая энергетические схемы. В трёхуровневой системе (например, рубиновый лазер) атомы возбуждаются на высокий уровень, быстро переходят на метастабильный уровень, с которого возможен вынужденный переход на нижний — начальный. Однако здесь нижний уровень участвует в процессе, что затрудняет достижение инверсии.
Более эффективна четырёхуровневая схема, где нижний лазерный уровень быстро опустошается, не мешая накоплению инверсии. Такие системы позволяют достигать инверсии при значительно меньших плотностях накачки.
Оптический резонатор и усиление
Для устойчивой генерации необходим оптический резонатор — система зеркал, формирующая положительную обратную связь. Обычно это два зеркала, одно из которых полупрозрачное. Свет многократно отражается между зеркалами, проходя через активную среду, и усиливается благодаря вынужденному излучению. В результате на выходе формируется мощное, направленное когерентное излучение.
Ключевые параметры резонатора — его длина, кривизна зеркал, коэффициент отражения — влияют на стабильность мод, длину волны и эффективность генерации. Резонатор поддерживает стоячие волны — моды, соответствующие условиям интерференции.
Когерентность, монохроматичность и направленность
Лазерное излучение обладает высокой степенью когерентности как во времени (монохроматичность), так и в пространстве (направленность). Это объясняется тем, что все фотоны генерируются вынужденно, с сохранением фазы, частоты и направления. Величина длины когерентности может достигать километров, а ширина спектра — долей герца.
Монохроматичность определяется длиной волны, на которой находится резонансный переход в активной среде, а также спектральными характеристиками мод резонатора. При этом направленность излучения обеспечивается многократными отражениями в резонаторе и пространственной селекцией мод.
Квантовая теория и коэффициенты Эйнштейна
Эйнштейн ввёл коэффициенты вероятности переходов между двумя энергетическими уровнями: коэффициенты поглощения (B₁₂), вынужденного излучения (B₂₁) и спонтанного излучения (A₂₁). Связь между ними определяется статистикой излучения в поле теплового равновесия. Когерентная генерация возможна только при доминировании вынужденного излучения, что соответствует высокой плотности фотонов.
Согласно уравнениям Эйнштейна, для того чтобы вынужденное излучение стало значимым, нужно увеличить плотность фотонов на соответствующей частоте. Именно этого добиваются при помощи оптического резонатора и инверсной заселённости.
Типы активных сред и их особенности
Активные среды лазеров разнообразны:
Каждая среда требует специфических условий накачки и имеет свою спектральную характеристику, ширину линии, мощность и тепловые параметры.
Порог генерации и эффективность
Условием начала генерации является превышение коэффициента усиления над потерями в резонаторе. Пороговое значение плотности накачки определяется свойствами активной среды, длиной резонатора и отражающей способностью зеркал.
После достижения порога начинается стимулированная генерация, и лазер переходит в режим устойчивой генерации. КПД лазеров зависит от типа накачки, механизма рассеяния энергии, качества активной среды и отвода тепла. Для твердотельных лазеров КПД не превышает 1–2%, для полупроводниковых — до 70%.
Моды резонатора и селекция излучения
Внутри резонатора возникают продольные и поперечные моды — стоячие волны, соответствующие условиям интерференции. Продольные моды определяются длиной резонатора: $\Delta \nu = \frac{c}{2L}$, где L — длина резонатора. Поперечные моды описываются распределением интенсивности в поперечном сечении и обозначаются как TEM (Transverse Electromagnetic Modes).
Для получения одночастотного излучения применяют селективные элементы — интерферометры, решётки, прецизионные резонаторы, а также используют одномодовые волоконные лазеры.
Импульсный и непрерывный режимы
Лазеры могут работать в непрерывном режиме (стабильная генерация) или импульсном (короткие высокоэнергетические импульсы). Для получения импульсов применяются методы Q-модуляции (внутренняя модуляция добротности резонатора) и модуляции накачки. В режиме модовой синхронизации (mode-locking) достигаются сверхкороткие импульсы длительностью в фемтосекундной области.
Импульсные лазеры используются для задач, где требуется высокая пиковая мощность, например в лазерной абляции, инерциальном термоядре и нелинейной оптике.
Лазерная стабильность и шумы
На качество лазерного излучения влияют шумы: флуктуации амплитуды, фазы, частоты, обусловленные как квантовыми эффектами, так и техническими нестабильностями (накачка, тепловые и механические колебания). Для повышения стабильности применяются термостабилизация, виброизоляция, активная стабилизация частоты (по резонансам или интерферометрам), а также обратные связи.
Нелинейные эффекты и усиление мощности
При высоких плотностях излучения активируются нелинейные оптические эффекты: удвоение частоты (вторичная гармоника), генерация суммарных и разностных частот, оптическое самофокусирование. Эти процессы позволяют генерировать свет с длинами волн вне области основного излучения лазера.
Для повышения выходной мощности используются многоступенчатые усилители, лазерные массивы, многопроходные схемы и оптические волноводы. Современные технологии позволяют достигать тераваттных и даже петавааттных импульсов (например, лазеры в установках типа ELI или NIF).
Квантовая эффективность и ограничения
Лазеры являются квантовыми приборами: каждый фотон соответствует переходу одного атома. Максимальная квантовая эффективность определяется энергией накачки и выходной энергией фотона. Основные ограничения связаны с перегревом, сечениями переходов, временем жизни уровней и рассеянием внутри среды.
Лазеры и границы современности
Лазерная физика лежит в основе таких направлений, как квантовая оптика, нелинейная динамика, лазерная спектроскопия, фемтосекундная наука, квантовая криптография. Понимание фундаментальных принципов генерации когерентного излучения — ключ к освоению новейших достижений в науке, медицине, промышленности и коммуникациях.