по дисциплине: Физика на тему: «лазеры» (стр. 2 из 3)

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рис.2), которая дает свет с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой. На рис. 3 дана схема уровней иона хрома Cr³⁺ (уровень 3 представляет собой полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней).

Возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой W₁₃. Время жизни уровня 3 очень мало (~ 10^-8 с). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой A₃₁ . Однако, большинство ионов перейдет на метастабильный уровень 2 (вероятность перехода, изображенного стрелкой S₃₂, значительно больше, чем перехода A₃₁). При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, возникает инверсия населенностей уровней 1 и 2.

Стрелка А₂₁ изображает спонтанный переход с метастабильного уровня на основной. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход W₂₁), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение, и т. д. В результате образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность.

Процесс образования каскада изображен схематически на рис.4. До вспышки лампы ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис.4а). Свет накачки (сплошные стрелки на рис.4б) переводит большинство ионов в возбужденное состояние (светлые кружки). Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны (штриховые стрелки на рис.4в) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла). Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис.4г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов.

Рис. 4. Процесс образования каскада фотонов

При каждом отражении от частично прозрачного торца небольшая доля (8 %) светового пучка выходит из кристалла. Поэтому после каждого акта накачки возникает вспышка лазерного излучения, состоящая из ряда импульсов, общая продолжительность которых равна нескольким микросекундам. Лазеры на рубине работают в импульсном режиме с частотой порядка нескольких вспышек в минуту.

В 1961 г. Джаваном[6] был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры. В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков твердых, жидких и газообразных веществ. Одни лазеры работают в импульсном, другие—в непрерывном режиме.

Если цилиндрический сосуд наполнить смесью гелия и у неона, внутрь его поместить металлические электроды и подать на них высокое напряжение, то смесь газов начнет светиться красноватым светом, почти таким же, как и неоновая реклама (рис. 5).

В стеклянной трубке возникает тлеющий разряд. При этом между атомами газа движется много быстрых электронов. Они сталкиваются с атомами гелия и возбуждают их. Электроны сталкиваются с неоном, но, как правило, возбуждают только низколежащие уровни неона. Возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, отдают им свою энергию и возбуждают их высокие уровни. С этих высоких уровней атом неона переходит в промежуточное состояние Е₁. Если теперь у торцов сосуда с гелий-неоновой смесью установить такие же зеркала, как и у торцов рубинового лазера, то фотон с энергией Е₁ — Е₂, испущенный параллельно оси сосуда, вызовет лазерное излучение. В газовом лазере число возбужденных атомов неона и гелия непрерывно пополняется. Поэтому гелий-неоновый лазер излучает свет непрерывно.

Очень интересен лазер с жидким излучающим телом. Мы уже знаем, что главную роль в излучающем теле рубинового лазера играют атомы хрома.

На рисунке показаны только уровни, участвующие в генерации видимого излучения газового лазера. На самом деле схема уровней и неона, и гелия сложнее.

а

б

Существуют лазеры, у которых стержень не из рубина, а из стекла, а стекло, как известно, переохлажденная жидкость. Роль атомов хрома играют добавленные в стекло атомы редкоземельного элемента неодима. Но так как атомы неодима находятся в жидкости, они будут свободнее передвигаться и очень часто сталкиваться с атомами жидкости-растворителя. При этих столкновениях возбужденные атомы неодима будут отдавать свою энергию атомам растворителя, и она будет переходить в тепло. Не поможет и то, что электроны, переход которых с орбиты на орбиту сопровождается испусканием фотонов, лежат на большой глубине электронного облака, окружающего атом неодима. Нужно было как-то защитить этот активный атом от снующих вокруг него атомов растворителя. Но как?

Эту задачу решили химики. Они заключили ион неодима в атомную кольчугу (рис. 6). Было получено такое химическое соединение, в котором ион неодима находится среди связанных с ним атомов кислорода, а они в свою очередь связаны со сложными органическими группами атомов — лигандами. Таким образом, атом неодима оказался защищенным от столкновений с атомами растворителя и стал вести себя так, как если бы он находился в кристаллической решетке твердого тела. Но лиганды не ограничиваются ролью защитников неодима. Они обладают еще замечательным свойством: поглощая излучение в широких областях спектра, лиганд возбуждается и при этом либо сразу переходит в основное состояние, либо долго остается в возбужденном состоянии. В первом случае испущенный лигандом фотон будет бесполезным для лазерного луча. Из метастабильного состояния лиганд передает свою энергию атому неодима и таким образом участвует в оптической накачке активных ионов неодима. Каскад фотонов в таком лазере возникает обычным путем, так же как и в других типах лазеров.

Световой телеграф

Ценность лазерного луча не только в его необычайной яркости, но еще более в его монохроматичности, когерентности. Только благодаря этим свойствам получают голограммы, а в будущем по лазерному лучу будут передавать радиопрограммы и программы телевидения.

Чтобы понять, в чем же состоят достоинства лазера как передатчика информации, рассмотрим линию связи, изображенную на рисунке 7.