Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: возбужденные атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с параметрами внешней волны, действующей на атом. Происходит как бы копирование внешней волны (рис.2в). Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 г. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем генерировать и усиливать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить трем условиям.
1. Необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот νmn спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа, т.к. спектры излучения одинаковых атомов абсолютно идентичны.
2. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне Wm, происходит также резонансное поглощение атомами, населяющими нижний уровень Wn. Атом, находящийся на нижнем уровне Wn, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Wm. Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света. Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Nm было больше числа атомов на нижнем уровне Nn, между которыми происходит переход. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах. Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.
3. Третья проблема, которую необходимо решить для создания лазера, – это проблема обратной связи. Для того, чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами одно из которых имеет коэффициент отражения около 99.8%, а второе (выходное) – около 97-98%, что может быть достигнуто только за счет применения диэлектрических покрытий. Световая волна, испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома, усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до выходного зеркала, свет частично пройдет сквозь него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного выходного зеркала, дает начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного излучения.
При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.
Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.
Другим источником потерь являются торцы трубки с активной средой. Для уменьшения потерь на границе этой трубки выходные окошки делают скошенными под углом Брюстера (рис. 4). Линейно поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер генерирует линейно поляризованный свет.
Условия, необходимые для создания источника когерентного света:
· нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;
· рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;
· усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.
При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером. Слово "лазер" составлено из первых букв английской фразы:"Light amplification by stimulated emission of radiation", что означает "усиление света с помощью вынужденного излучения". Генерация когерентного света происходит одинаково во всех лазерах, как газовых, так и твердотельных. Особенности газового лазера и отличие отдельных видов газовых лазеров друг от друга связаны с выбором рабочего газа и способом создания инверсии населенностей.
2.2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
Рассмотрим более подробно (рис. 6) способ осуществления инверсии населенностей на примере гелий-неонового лазера.
1.В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня W1 на долгоживущие возбужденные уровни W5 и W4.
Инверсия населенностей создается большей заселенностью W5 и W4 по сравнению с короткоживущим уровнем W3. Однако в чистом неоне созданию инверсии населенностей мешает метастабильный резервуар возбуждений, резонансным образом передаваемых от гелия к неону.
1) Если правильно подобрать парциальные давления гелия (~1 мм. рт.ст.) и неона (~0.1 мм. рт.ст.) в смеси, то можно добиться заселенности одного или обоих уровней W4 и W5 атомов неона, значительно превышающей населенность этих уровней в чистом неоне, и получить инверсию населенностей между уровнями W4, W5 и W3.
2) Интересно, что опустошение нижнего короткоживущего уровня W3 неона в гелий-неоновом лазере происходит под влиянием соударений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Эти соударения по-разному влияют на населенность различных уровней. Они практически не изменяют населенности уровней W4, W5 и непосредственно W3, т.к. время жизни атома на этих уровнях недостаточно велико, чтобы атомы, находящиеся в этих состояниях, могли "добраться" до стенки. Эти уровни разрушаются гораздо раньше. В то же время атомы на уровне W2 живут долго и добираются до стенок. Соударения со стенками разгружают уровень W2, в результате чего атомы неона переходят с уровня W3 на более низкий W2, т.е. уровень W3 опустошается быстрее, чем при заселенном W2.
Для того, чтобы соударения атомов неона со стенками эффективно опустошали уровень W3, необходимо подобрать оптимальный диаметр трубки лазера. Эксперимент показал, что максимальная мощность гелий-неонового лазера достигается при диаметре трубки 6 - 7 мм. При больших диаметрах трубки мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа. Падение мощности обусловлено тем, что эффективно опустошаются уровни для тех атомов, которые находятся вблизи стенок, а атомы, находящиеся в центре трубки, практически выключаются из процесса генерации.
В действительности, уровни W3, W4 и W5 неона представляют собой полосы из большого числа тесно расположенных уровней. В спектрометре с небольшим разрешением мы видим одну линию (1 на рис.7), тогда как на самом деле она представляет собой целый набор линий с очень близкими частотами.
Ширина спектральной линии атома Ne определяет область частот, в которой может иметь место генерация света при инверсии населенностей соответствующего перехода. Оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал (резонатор Фабри-Перо), вырезает из этой относительно широкой спектральной линии гораздо более узкие линии (2, 3, 4), соответствующие собственным частотам резонатора. Если усиление в Ne достаточно велико, то генерация может возникнуть на большом числе собственных частот (мод) резонатора, для которых усиление превышает потери света в газе и зеркалах (рассеяние и поглощение). Например, при уровне потерь β1 могут генерировать три моды, при β2 – одна центральная.
