Лазеры

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — это квантовый прибор, создающий мощное когерентное электромагнитное излучение с высокой степенью монохроматичности, направленности и поляризации. Основу его работы составляет индуцированное (вынужденное) излучение, впервые предсказанное А. Эйнштейном в 1917 году.

В обычных условиях атомы и молекулы излучают фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное спонтанно. Однако в присутствии внешнего электромагнитного поля возможно индуцированное излучение — когда квант света провоцирует атом на излучение второго кванта той же частоты, фазы и направления. Это и есть ключевой механизм, лежащий в основе работы лазеров.

Для создания индуцированного излучения в масштабах, достаточных для усиления света, необходимо реализовать инверсную заселенность — состояние, при котором число атомов или молекул в возбужденном состоянии превышает число в основном. Это неравновесное состояние достигается путем накачки — введения энергии извне.

Условия генерации лазерного излучения

Для функционирования лазера необходимы три основных компонента:

  1. Активная среда — вещество, способное к индуцированному излучению. Это может быть газ, жидкость, твердое тело или полупроводник.
  2. Источник накачки — внешнее устройство, возбуждающее активную среду. Используются электрические разряды, световые лампы, другие лазеры и т. д.
  3. Оптический резонатор — система зеркал, обеспечивающая многократное прохождение света через активную среду для усиления. Как правило, одно зеркало полупрозрачное, и через него выходит лазерный луч.

Порог генерации — минимальный уровень накачки, при котором возникает устойчивая лазерная генерация. При превышении этого порога интенсивность выходного излучения резко возрастает.

Энергетические уровни и лазерные переходы

Рассмотрим трехуровневую и четырехуровневую лазерные схемы:

  • Трехуровневая схема: накачка переводит атомы из основного состояния на высокий энергетический уровень, откуда они быстро переходят в метастабильное возбужденное состояние. Оттуда происходит индуцированный переход обратно в основное состояние с излучением фотона.
  • Четырехуровневая схема: аналогична предыдущей, но после индуцированного перехода атомы попадают не в основное, а в промежуточное состояние, откуда быстро релаксируют. Это облегчает достижение инверсной заселенности.

Преимущество четырехуровневых схем — низкий порог накачки, поскольку уровень, из которого осуществляется переход, не совпадает с заселенным основным состоянием.

Свойства лазерного излучения

Лазерное излучение отличается от обычного света рядом уникальных характеристик:

  • Когерентность: волны находятся в строгой фазовой связи друг с другом как во времени (временная когерентность), так и в пространстве (пространственная когерентность).
  • Монохроматичность: излучение имеет очень узкий спектральный диапазон, часто порядка нескольких гигагерц или меньше.
  • Направленность: лазерный луч распространяется в узком телесном угле, иногда доли углового градуса.
  • Поляризация: излучение может быть линейно или кругово поляризованным.
  • Высокая интенсивность: плотность энергии в лазерном пучке может достигать колоссальных значений.

Типы лазеров

Газовые лазеры Используют разреженные газы (He-Ne, CO₂, ионные лазеры). Пример: гелий-неоновый лазер излучает на длине волны 632,8 нм. В CO₂-лазерах реализуются вибрационные переходы молекул.

Твердотельные лазеры Активная среда — кристаллы с примесями (например, рубиновый лазер или лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом — Nd:YAG). Отличаются высокой выходной мощностью и короткой длиной импульса.

Жидкостные лазеры Применяют растворы органических красителей. Их преимущество — плавная перестройка частоты генерации в широком диапазоне за счёт изменения длины волны накачки или конструкции резонатора.

Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) Активная область — p-n-переход с инжекцией носителей заряда. Это компактные и эффективные источники когерентного света, используемые в бытовой и телекоммуникационной технике.

Эксимерные лазеры Работают на возбужденных димерах (например, ArF, KrF), излучающих в ультрафиолетовом диапазоне. Находят применение в микроэлектронике и медицине (лазерная коррекция зрения).

Квантовая теория индуцированного излучения

Вероятности переходов описываются коэффициентами Эйнштейна:

  • B12 — коэффициент индуцированного поглощения;
  • B21 — коэффициент индуцированного испускания;
  • A21 — коэффициент спонтанного излучения.

Интенсивность излучения в активной среде описывается уравнением усиления:

$$ \frac{dI}{dz} = \sigma (N_2 - N_1) I, $$

где:

  • σ — сечение индуцированного перехода,
  • N2, N1 — концентрации частиц в возбужденном и основном состояниях,
  • I — интенсивность излучения.

Условие N2 > N1 соответствует инверсной заселённости, при которой излучение усиливается.

Лазерные резонаторы

Резонатор формирует устойчивые моды (резонансные волны), которые усиливаются при каждом проходе через активную среду. Условия формирования мод описываются резонансным условием Фабри-Перо:

2L = mλ,

где:

  • L — длина резонатора,
  • λ — длина волны,
  • m — целое число (номер моды).

Стабильность и качество мод определяются геометрией резонатора, кривизной зеркал и параметрами накачки.

Импульсный и непрерывный режимы

Лазеры могут работать в различных режимах:

  • Непрерывный режим — постоянная генерация при стабильной накачке.
  • Импульсный режим — короткие всплески излучения высокой мощности. Используется Q-модуляция, при которой резонатор блокируется на начальном этапе накачки, затем внезапно открывается, высвобождая накопленную энергию за очень короткое время.

Импульсные лазеры достигают пиковой мощности в десятки гигаватт.

Применения лазеров

Наука и техника: спектроскопия, голография, интерферометрия, ускорители частиц. Связь: оптоволоконные линии, передача информации с помощью лазеров. Промышленность: резка, сварка, микрообработка, 3D-печать. Медицина: хирургия, офтальмология, дерматология. Военное дело: дальномеры, системы наведения, экспериментальное лазерное оружие. Быт: сканеры, лазерные принтеры, устройства считывания дисков.

Нелинейные эффекты в лазерной оптике

При высоких плотностях мощности, достижимых с помощью лазеров, в веществе начинают проявляться нелинейные оптические эффекты:

  • Гармоники: генерация света с удвоенной или утроенной частотой (вторичная, третичная гармоника).
  • Самофокусировка: изменение показателя преломления среды под действием лазерного поля.
  • Оптический качер: усиление света за счёт нелинейной интерференции.

Эти явления используются для получения ультракоротких импульсов, перестройки частоты и усиления сигнала.

Фемтосекундные лазеры

Современные технологии позволяют создавать лазеры, генерирующие импульсы длительностью менее 100 фс (1 фс = 10−15 с). Такие сверхкороткие импульсы позволяют исследовать процессы, происходящие на атомарных временных масштабах, включая динамику химических реакций, движение электронов и колебания молекул.

Основные параметры лазера

  • Длина волны: определяет цвет и спектральную область излучения.
  • Мощность: может быть как милливаттной, так и мегаваттной.
  • Коэффициент усиления: характеризует рост интенсивности в активной среде.
  • Длительность импульса: от наносекунд до аттосекунд.
  • Ширина спектральной линии: зависит от стабильности резонатора и характеристик среды.

Лазеры представляют собой одно из наиболее значительных достижений квантовой электроники. Они объединяют в себе фундаментальные принципы электромагнетизма, квантовой механики и оптики, находя применение во всех областях современной науки, техники и медицины.

Оглавление