Оптические квантовые генераторы(лазеры)

   E1 - энергия  низшего энергетического уровня.

  Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили  большую часть атомов среды. Тогда  при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой,

   ,

  где v - частота волны,  

   Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,  

   h - длина волны.

  эта волна  будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного  излучения. Под её воздействием атомы  согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая  волны, совпадающие по частоте и  фазе с падающей волной.

  Основные  свойства лазерного  луча.

  Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники  света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся  в различных частях оптического  квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания  в различных частях лазера происходят согласованно.

  Чтобы разобрать  понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть  процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она  выглядит как чередование темных и светлых участков).

  Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых  волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут  гасить друг друга. В этом случае интерференционная  картина будет чрезвычайно размыта  или же не будет видна вовсе. Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн. Тогда источники волн можно назвать когерентными.

  Когерентность волн, и источников этих волн можно  определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна:

  Е = Е1 + Е2

  Так как  в явлениях интерференции и дифракции  оперируют относительными значениям  величин, то дальнейшие операции будем  производить с величиной - интенсивность  света, которая обозначена за I и  равна

  I = E2.

  Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

  I = I1 + I2 + I12,

  где I1 - интенсивность  света первого пучка,  

   I2 - интенсивность  света второго пучка.

  Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным  членом. Это слагаемое равно:

  I12 = 2 (E1 * E2).

  Если взять  независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный  член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I ¹ I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит источники света оказываются когерентными между собой.

  С понятием когерентности также связано  понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными.

  Другой замечательной  чертой лазеров, тесно связанной  с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение  оптического генератора может длиться  всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

  Лазеры также  способны создавать пучки света  с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой  пучок, посланный с Земли, даст пятно  диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии  лазерного луча в пространстве и  по направлению распространения.

  Монохромотичность лазерного излучения. Его мощность.

  Для некоторых  квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень  монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность.

  Нужно отметить, что линии лазерного излучения  имеют сложную структуру и  состоят из большого числа чрезвычайно  узких линий. Применяя соответствующие  оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные  линии этой структуры, создав тем  самым одночастотный лазер.

  Мощность  лазера. Лазеры являются самыми мощными  источниками светового излучения. В узком интервале спектра  кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с.) у некоторых типов лазеров  достигается мощность излучения  порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности.

  Для повышения  мощности излучения необходимо увеличить  число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного  излучения, и уменьшить длительность импульса.

  Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число  атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы  накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации  лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно  сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность  системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация  не начинается, поскольку порог генерации  высок. Поворот зеркала до параллельного  другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем  самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит  начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

  Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система  выйдет из условия генерации. Продолжительность  зависит от многих факторов, но обычно составляет 10-7 —10-8 с. Очень распространено модулирование добротности с  помощью вращающейся призмы. При  определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль  оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую  же частоту.

  Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности  с помощью ячейки Керра (быстродействующий  модулятор света). Ячейку Керра и  поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию  лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса физики опытом с турмалином.

  Имеются также  и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам  модуляции добротности.

  Гиганский импульс.

  Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым  называют импульс, обладающей очень  большой энергией при сверхмалой длительности.

  Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического  затвора - специального устройства, которое  по сигналу может переходить из открытого  состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10-8 с., а максимальная мощность 108 Вт.

  Применение  лазеров .

  Прежде всего следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой научный интерес. Лазеры находят широкое применение в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер.

  Ярким примером могут служить исследования в  области нелинейной оптики. Как уже  отмечалось, лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может  обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным  нелинейно-оптическим явлениям.

  Лазер дает возможность осуществлять сильную  концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна также плавная  перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения  и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществлять избирательное  возбуждение тех или иных состояний  атомов и молекул, избирательный  разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным  инициирование конкретных химических реакций, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики.

  Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям  целого ряда быстропротекающих процессов  в веществе и, в частности, в биологических  структурах. Отметим, например, фундаментальные  исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро — в  пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность  проследить за развитием подобных процессов  и даже моделировать отдельные их звенья.

  Роль лазеров  в фундаментальных научных исследованиях  исключительно велика. Более подробная  беседа на эту тему потребовала бы, однако, рассмотрения ряда специальных  вопросов, а также соответствующей подготовки читателя. Поэтому, говоря ниже о применениях лазеров, сосредоточим внимание лишь на чисто практических применениях и, в частности, промышленных применениях.

  При обсуждении практических применений лазеров обычно выделяют два направления. Первое направление  связывают с применениями, в которых  лазерное излучение (как правило, достаточно высокой мощности) используется для  целенаправленного воздействия  на вещество. Сюда относят лазерную обработку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применения лазеров в медицине и т. д. Второе направление связывают с так называемыми информативными применениями лазеров — для передачи и обработки информации, для осуществления контроля и измерений.