Вынужденное излучение

Лазер представляет собой квантовое устройство, поэтому прежде надо обратиться к вопросам квантовой оптики и рассмотреть процессы поглощения и иcпycкaния атомами квантов электромагнитного излучения.

Атом может находиться в различных энергетических состояниях с дискретными значениями энергии E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называют стационарными. На самом деле, стационарным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Как правило, возбуждённый атом способен пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант светового электромагнитного излучения (фотон). Его частота w12 определяется условием частот Бора: (из второго постулата Бора, здесь постоянная Планка).

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния с энергией Е2 в другое сэнергией E1( Е1< E2), называют спонтанным.

На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать дольше - порядка 10–3 с. Такие уровни называют метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние (с энергией Е2) может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом способен приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безызлучательными.

Для объяснения наблюдавшегося в эксперименте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым (поглощаемым) им световым излучением А. Эйнштейн в 1916 году сформулировал постулат о том, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Было предположено, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение получило название вынужденного или индуцированного. Вынужденное излучение отличается от спонтанного тем, что в результате взаимодействия возбуждённого атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На рисyнкe 1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумяэнергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта.

Рисунок 1 - Условное изображение процессов поглощения (a), спонтанного испускания (б), и индуцированного испускания кванта (в)

На языке волновой теории это означает, что атомом излучается электромагнитная волна с частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения, точно такими же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбуждённого атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона - близнеца. Именно вынужденное излучение является физической основой работы лазеров. Название самих приборов составлено из первых букв английского выражения: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (laser), что в переводе означает «усиление света при вынужденном испускании излучения».

Рассмотрим слой оптической среды, атомы которой могут находиться в состояниях 1 и 2 с разностью энергий ΔE = E2 - E1 > 0. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода w = ΔE / ћ. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии бóльшее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии 1. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии 2, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 < n1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображённые на рисунке 1. Эйнштейном было показано, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (в) индуцированного испускания кванта возбуждённым атомом имеют одинаковые вероятности. Так как n2 < n1, поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате ослабляется интенсивность прошедшего через слой вещества излучения. Этим явлением можно объяснить наличие в спектре солнечного света относительно тёмных линий, называемых фраунгоферовыми. Излучение, возникшее в результате спонтанных переходов (б), некогерентно и распространяется во всевозможных направлениях, не создавая вклада в проходящую волну.

Чтобы проходящая через слой вещества электромагнитная волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать инверсную заселённость уровней. Такая среда является термодинамически

 

неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана советским физиком В.А. Фабрикантом в 1940 г. В 1954 г. советские физики Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них учёный из США Ч. Таунс, использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. В 1964 году за разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн все трое исследователей были удостоены Нобелевской премии.

Исторически первым действующим генератором когерентного излучения в оптическом диапазоне частот был лазер на рубине - искусственно выращенном люминесцентном диэлектрическом кристалле розового цвета из семейства корундов. Излучающий в импульсном режиме прибор был создан в декабре 1960 г. под руководством Т. Меймана, учёного из США, независимо несколькими месяцами позже - исследователем из Физического Института АН СССР А.М. Леонтовичем в 1961 г. В том же году лазерная генерация на рубине была реализована группой сотрудников Института физики АН Белорусской ССР в Минске под руководством академика В.А. Пилиповича.