Устройство и принцип действия рубинового лазера.

Лазеры

§ 96

Обратите внимание на использование «мышки» при работе с анимированными слайдами.

Изложение материала учебника в презентации изменено.

В 1917 году А. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.

В 1940 г. В. А. Фабрикант говорил о возможности использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн

«Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние.

Лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово "лазер" составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате вынужденного излучения". В российской литературе употребляется также термин "оптический квантовый генератор" (ОКГ).

Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии,
превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки».
Н.Г. Басов

В 1955 - 1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для соз­дания квантовых генераторов оптического диапазона.

В 1964 советским физикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике.

В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.
В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Для понимания сущности этого явления необходимо рассмотреть элементарные акты взаимодействия электромагнитного излучения с атомной системой.

Рассмотрим два энергетических состояния атома, основное состояние с энергией Е1 и возбужденное состояние с энергией Е2. Переходя из возбужденного состояния в основное, атом излучает фотон с энергией hv = Е2 – Е1

hv

Если возбужденный атом предоставлен сам себе, то он переходит в основное состояние самопроизвольно. Момент перехода предсказать невозможно, и поэтому излучение в этом случае называют спонтанным.

Спонтанное излучение различных атомов является некогерентным, поскольку атомы излучают совершенно независимо друг от друга.

Е1

Е2

hv

hv

До излучения Излучение После излучения

hv

hv

hv

До излучения

Излучение

Атом можно заставить излучать фотон, вынудив соскок с верхнего уровня на нижний под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода v = (Е2 – Е1)/h.

Излучение атома, вызванное внешним электромагнитным полем, называется вынужденным или индуцированным.

После излучения

hv

hv

hv

Е1

Е2

В результате индуцированного излучения атом испускает монохроматическую волну, совпадающую с падающей волной по частоте и фазе. Эти две волны интерферируя, усиливают друг друга. Именно этот эффект используется в лазаре.

Атом излучил еще один фотон, тождественный падающему фотону. Вместо одного падающего фотона «на входе» возникли два фотона-близнеца «на выходе».

Е1

Е3

Е2

Короткоживущее состояние (t ~ 10-8 c)

Метастабильное состояние (t ~ 10-3 c)
Долгоживущее состояние

Переход без излучения

Лазерный переход

Вспышка
лампы

Основное состояние

Трехуровневая система рубина

В начальной стадии большинство атомов находится в основном состоянии Е1.

Мощная вспышка лампы переводит большую часть атомов среды в возбужденное состояние с энергией Е3. Но электроны атомов не задерживаются на этом энергетическом уровне. Состояние Е3 обладает малым временем жизни t. Электрон соскакивают с уровня вниз, но не назад на уровень Е1, а на промежуточный уровень Е2.

Синхронное излучение

Переход Е3 -> Е2 не сопровождается излучением Энергия передается тепловыми колебаниями кристаллической решетке.
Небольшое число спонтанных переходов Е2 -> Е1 вызовут лавину таких же, но уже индуцированных лазерных переходов Е2 -> Е1. Число фотонов, порожденных лазерными переходами, стремительно нарастает и создает импульс лазерного излучения.

Трехуровневая система рубина

Е1

Е3

Е2

Устройство рубинового лазера

Рабочая среда

Энергия накачки

Непрозрачное зеркало

Полупрозрачное зеркало

Блок питания лампы

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Аl203, в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома Cr3+.

С помощью мощного импульса лампы -вспышки ("оптической накачки") ионы хрома переводятся из основного состояния Е1 в возбужденное Е2.

Световой импульс (вспышка лампы)

Через 10-8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень
Е2 < Е3, на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.

Случайный фотон с энергией hv = Е2 - Е1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Через 10-8 с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень
Е2 < Е3, на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.

Случайный фотон с энергией hv = Е2 - Е1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Индуцированное излучение, которое распространяется вдоль оси цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.
 

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой - частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.