ИСКАТЬ:
Главная  >  Наука   >  Физика


Лазер - Нобелевская премия 1964 года

11 октября 2007, 1344

Лазер - источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово "лазер" составлено из начальных букв слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате вынужденного излучения".



Лазер - источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово "лазер" составлено из начальных букв слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате вынужденного излучения".
Первый мазер, работающий с микроволнами, был построен американским физиком Чарльзом Таунсом и его аспирантами Дж. Гордоном и Х. Зайгером в 1953 году. Таунс позднее работал над описанием теории лазера или оптического мазера, как он назывался в то время. Слово лазер было предложено в 1957 году Гордоном Гоулдом. Устройство, созданное Таунсом было неспособно создавать длительное излучение. Советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров, которые независимо работали в области квантовой электроники, смогли решить эту проблему. В 1964 году Таунсу, Басову и Прохорову была присуждена Нобелевская премия по физике «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию осциллографов и усилителей, основанных на принципе мазера/лазера».

Лазер представляет собой источник света. По сравнению с другими источниками света он обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение "нелазерных" источников света не имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7×10-12×T4 вт/см2. Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W = 6,4×103 вт. Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника, т. е. заполняет телесный угол 2p рад. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую, чем в самом источнике света.
Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн. Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре возбуждения атомов и молекул (рис. 1). Т. о., в обоих случаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

Иная картина имеет место в радиодиапазоне. Источники радиоволн способны формировать направленное и монохроматическое излучение большой мощности. Различие между источниками радиоволн и долазерными источниками света носит принципиальный характер. Антенны - излучатели радиоволн, питаемые от общего генератора электрических колебаний, можно возбудить когерентно. Элементарными излучателями световых волн являются атомы и молекулы. Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект излучения громадной совокупности атомов и молекул, причём все они излучают совершенно независимо друг от друга - некогерентно. Некогерентность излучения атомов связана с независимостью, случайностью элементарных актов возбуждения атомов и их хаотичным распределением в пространстве. Основной причиной возбуждения атомов в нагретых телах и в газовом разряде являются столкновения. Моменты столкновений случайным образом распределены во времени, что и приводит к хаотичному распределению фаз волн, излучаемых отдельными атомами, т. е. к некогерентности их излучения.
Задача создания источника когерентного света была решена лишь с появлением лазера, в котором используется принципиально иной метод высвечивания возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Принцип работы лазера. Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней E1, E2 атомов или молекул среды (hn = E2 - E1, где h – постоянная Планка), к спонтанному испусканию частиц добавляются другие радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E1, в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E2. Число таких переходов пропорционально r (n) N1, где r (n) - спектральная плотность излучения в эрг/см3, N1 - концентрация атомов, находящихся на уровне E1 (населённость уровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E2, под действием квантов hn вынужденно переходят на уровень E1. Число таких переходов пропорционально r (n) N2, где N2 - концентрация атомов на уровне E2. В результате переходов E1 - E2 волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E2 - E1 световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью (N2 - N1). В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N1 всегда больше населённости верхнего N2. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия населённостей уровней E1 и E2, при которой N2 > N1. При этом вынужденные переходы E2 - E1 преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E1 - E2. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.
Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E2 - E1 волны по частоте n, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E 2. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E1, E2, способную усиливать излучение частоты n = (E2 - E1)/h, обычно называют активной.
Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E2), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого усилится. Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри - Перо, то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. При каждом "проходе" интенсивность волны увеличивается в ekL раз, где k - коэффициент усиления в см-1, L - длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r (n) в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост r (n) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r (n), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.
Интерферометр Фабри - Перо, заполненный активной средой с достаточно большим коэффициентом усиления, представляет собой простейший лазер. В лазере используются оптические резонаторы и др. типов - с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в лазере, могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получать излучение высокой направленности.
Существующие лазеры различаются: 1) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.п.; см. ниже); 2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости); 3) конструкцией резонатора; 4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования к характеристикам лазера.

Применение лазеров. Одновременно с созданием первых лазеров начали развиваться различные направления их применений. Создание лазера ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. Лазер большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия (затухания второго звука, связанные состояния двух ротонов в жидком гелии и т.п.), провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах с временем релаксации ~ 10-13 сек. Возможность формировать сверхкороткие импульсы света 10-11 - 10-12 сек имеет также очень важное значение для скоростной фотографии и ряда др. методов исследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-неонового лазера, обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового лазер (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 1012 гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,99792456,2 + 1,1 м/сек.
Исключительно высокая эффективная температура излучения лазер возможность концентрировать энергию в ничтожно малом объёме открыли уникальные возможности испарения и нагрева вещества. Важнейшей задачей является нагрев плазмы до температур, достаточных для осуществления термоядерных реакций, т. е. получения термоядерной плазмы. Достигнуты температуры 20×106 К. В тех же условиях эксперимента, при соответствующем подборе химического состава испаряемой мишени, удаётся получить точечный источник рентгеновского излучения высокой интенсивности (мощностью ~109 вт при длительности импульса в несколько нсек). Существует возможность создания интенсивных точечных источников нейтронов. Нагрев плазмы лазерным лучом оказался эффективным методом получения многозарядных ионов различных элементов. Впервые в лабораторных условиях получены и исследованы спектры ряда многозарядных ионов, представляющих интерес для астрофизики.
Мощные лазеры начали применяться и в технологии. С их помощью возможны сварка, закалка, резка и сверление различных материалов без возникновения в них механических напряжений, неизбежных при обычной обработке, и с очень большой точностью, вплоть до нескольких длин волн. Обрабатываются материалы любой твёрдости, металлы, алмазы, рубины и т.п. Лазер начинают применяться при резке газовых труб и т.п.
Большие возможности открываются перед лазерной техникой в биологии и медицине. Лазерный луч применяется не только в хирургии (например, при операциях на сетчатке глаза) как скальпель, но и в терапии.
Интенсивно развиваются методы лазерной локации и связи. Локация Луны с помощью рубиновых лазеров и специальных уголковых отражателей, доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерения расстояний Земля - Луна до нескольких сантиметров.. Полная затрата энергии при этом порядка энергии, выделяющейся при сгорании десятка спичек. С помощью полупроводникового лазера осуществлена связь со спутником. Разрабатываются лазерные методы геодезических измерений и регистрации сейсмических явлений. Созданы и используются лазерные гироскопы и дальномеры.
Большое внимание уделяется созданию лазера с перестраиваемой частотой. Существуют различные типы параметрических генераторов света: лазер на вынужденном рассеянии света и полупроводниковые лазеры, работающие в одномодовом режиме. В результате перекрыт практически весь диапазон от l = 1 мм до видимой области, причём обеспечивается разрешение 10-2-10-3 см-1. Широкое применение подобных лазеров в спектроскопии позволит во многих случаях исключить необходимость в монохроматорах, спектрографах и т.п. Особенно большое значение лазерная спектроскопия должна иметь для исследования короткоживущих продуктов, исследования химических реакций, биологических превращений и т.п.
Получены обнадёживающие результаты в направленном стимулировании химических реакций. С помощью лазеров можно селективно возбуждать одно из собственных колебаний молекулы. Оказалось, что при этом молекулы способны вступать в реакции, которые нельзя или затруднительно стимулировать обычным нагревом. Для реализации всех имеющихся здесь возможностей необходимы мощные лазеры с перестраиваемой частотой в ближней инфракрасной области спектра.
Новые методы получения инверсии населённости (разряд с принудительной ионизацией) позволили поднять давление в активной среде молекулярных газовых лазеров до 10-20 am. При таких давлениях колебательно-вращательные уровни молекул перекрываются вследствие столкновений, что открывает новые возможности перестройки частоты лазера.
С помощью лазерной техники интенсивно разрабатываются оптические методы обработки передачи и хранения информации, методы голографической записи информации, цветное проекционное телевидение.

Читайте также:



©  Фонд "Русская Цивилизация", 2004