ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны (см. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ, КОГЕРЕНТНОСТЬ) видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды. Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее.
Основы теории излучения. Из законов квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) следует, что энергия атома может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2,...En..., которые называются энергетическими уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения. А при переходе с высокого уровня на низкий атом отдает энергию в виде фотона. В обоих случаях энергия фотона E = hn равна разности начального и конечного уровней:
hnmn = Em – En (1)
где h = 6,626176·10–34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.
Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в среднем за 10–8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.
Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой (1):
n21 = (E2 – E1)/h. (2)
Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов.
Понятие вынужденного излучения было введено, а его особое свойство – когерентность – теоретически предсказано А.Эйнштейном в 1916 и строго обосновано П.Дираком с точки зрения квантовой механики в 1927–1930.
Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому световая волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает, подчиняясь закону Бугера:
Il = I0e–kl, (3)
где I0 – исходная интенсивность, Il – интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе с коэффициентом поглощения k. Из уравнения видно, что среда поглощает свет очень сильно – по экспоненциальному закону.
Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Число атомов на определенном уровне En называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 – инверсной заселенностью. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна, частота которой n = n21. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах E2 ® E1 (которых значительно больше, чем актов поглощения E1 ® E2) будет происходить ее усиление. А с точки зрения квантовой механики это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порождают еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина. Такое явление приводит к экспоненциальному закону нарастания интенсивности излучения, который записывается аналогично закону Бугера (3), но с коэффициентом квантового усиления a вместо –k:
Il = I0eal (4)
На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т.е. сохранится инверсная заселенность.
Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция и т.п. Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. А для этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).
Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетического уровня E0 на самый верхний E3. Оттуда они спускаются на уровень E2, где могут находиться достаточно долго без спонтанного испускания фотонов (такой уровень называется метастабильным). И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E0, испуская вынужденное излучение частотой n = (E2 – E0)/h, когерентное исходной волне.
Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р. Ланденбург в 1928 и независимо от него российский физик В.А.Фабрикант в 1939. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950. В 1951 В.А.Фабрикант с сотрудниками подает авторскую заявку на «способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиодиапазонов волн) путем прохождения усиливаемого излучения через среду с инверсной населенностью». Однако эта заявка была опубликована только в 1959, и никакого влияния на ход работ по созданию квантовых генераторов оказать не смогла. Потому что принципиальную возможность их построения начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в 1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона (l = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.
