В наши дни нет, пожалуй, ни одного человека, который не знал бы о существовании лазеров. Лазеры являются незаменимыми физическими приборами, которые позволили решить множество задач физики, химии, астрономии и многих других теоретических и прикладных наук. Вот далеко не полный список достижений лазерных технологий:

Лазер находит все новые и новые области применения, совершенствуются способы создания лазеров, улучшаются характеристики лазерного излучения. Лазерные установки давно вышли из стен научных лабораторий и теперь используются повсеместно. Ученые предсказывают большое будущее лазерам и лазерной технологии.

Термин “лазер” составлен из первых букв английского выражения “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, что в переводе означает “усиление света в результате вынужденного излучения. Впервые представление о вынужденном излучении было выдвинуто Эйнштейном в 1916 г. при выводе формулы Планка с учетом постулатов Бора. При этом постулировалось, что интенсивность индуцированного излучения пропорциональна плотности излучения, падающего на квантовую систему, а характеристики вынужденного излучения квантовой системы (частота, поляризация, направление распространения) тождественны характеристикам вынуждающего излучения.

В 1960 г Беннет и Эрриот создали первый газовый лазер на смеси He-Ne.

В 1966 г. Паттел создал молекулярный лазер на CO₂.

В 1961 г. Хелвертс впервые предложил метод модуляции добротности, который позволил значительно поднять мощность излучения благодаря сокращению длительности импульса до 10^-8...10^-9с.

Согласно классическим представлениям, испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается с замедлением и ускорением электрические зарядов. Например, процесс спонтанного испускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора на излучение в течение некоторого промежутка времени, количественной характеристикой которого служит так называемое время жизни t . В результате излучаемая мощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве в форме сферических волн.

В квантовой теории имеют дело со стационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испускания предполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излучения или поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом, который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени с каждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являются эмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяет численно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика дает возможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Пусть имеется два уровня (рис. 3.1), содержащих одинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n _ik.

Согласно постулатам Эйнштейна, число спонтанных переходов в единицу времени в единице объема с верхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

определяет число спонтанно испускаемых в единицу времени фотонов частоты n _ik в расчете на одну возбужденную частицу с энергией E_i. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанного испускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единице объема за единицу времени, также пропорционально населенности исходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения r на данной частоте (энергии фотонов в единице объема).

- это Эйнштейновский коэффициент поглощения. Вероятность поглощения равна .

Этот коэффициент носит название Эйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность перехода равна .

При термодинамическом равновесии населенности уровней i и k определяются выражением

.

Откуда, выражая T, получаем .

Видно, что в случае теплового равновесия отношение населенностей уровней однозначно связано с температурой вещества. Если указанного равновесия нет, то формально все же можно использовать то же соотношение. При этом полученное нами выражение для температуры будет характеризовать распределение частиц по уровням энергии. Рассмотрим случай невырожденной двухуровневой системы.

Параметр T₂₁ характеризует отношение населенностей и называется температурой перехода. В состоянии теплового равновесия системы все температуры переходов одинаковы и равны истинной температуре вещества. Если термодинамическое равновесие как-нибудь нарушить, то температура перехода будет отличаться от истинной температуры вещества в целом. Для различных пар уровней температуры переходов могут быть различными.

Система, имеющая отрицательную температуру называется системой с инверсной населенностью уровней энергии. Температура системы, в которой все частицы находятся на верхнем уровне (полная инверсия системы) равна -0K. При полной инверсии энергия системы частиц максимальна, так как все частицы находятся на верхнем энергетическом уровне.

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучение. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома. В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первого фотона. Таким образом следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда с инверсной населенностью уровней энергии, которая называется активной средой.

После прекращения возбуждения нарушенное равновесие постепенно восстанавливается. Наличие неоптических переходов препятствует выведению системы из равновесного состояния. Чем больше вероятность неоптических переходов, тем быстрее возвращается система в состояние термодинамического равновесия.

При инверсном состоянии вещества мощность испускания при переходе i® k, вынуждаемого внешней радиацией, падающей на такую неравновесную систему, больше мощности поглощения. Поскольку процесс усиления излучения сопровождается переходами частиц с верхнего уровня на нижний, то тем самым взаимодействие с квантовой системой ведет систему к термодинамическому равновесию.

,

где Кn - коэффициент поглощения излучения на заданной частоте, x - путь, на котором происходит поглощение, а I - плотность потока излучения. При инверсном состоянии вещества коэффициент поглощения отрицателен. Зависимость коэффициента поглощения от частоты для двух значений разности населенностей изображена на рисунке.

Для получения заметного отрицательного коэффициента поглощения необходима не только большая разность населенностей, но и достаточно большие значения коэффициента Эйнштейна B_ki.

При каждом прохождении через вещество интенсивность излучения увеличивается в раз, где P - коэффициент, учитывающий рассеяние и другие потери внутри активной среды, L - длина активного тела. При отражении света от зеркал его интенсивность уменьшается в r₁r₂ раз, где r₁ и r₂ - коэффициенты отражения зеркал. Для возникновения генерации необходимо, чтобы усиление компенсировало потери, т.е.

.

Из условия следует .

Коэффициент g характеризует потери излучения, связанные с его выходом из резонатора через зеркала и поэтому называется коэффициентом полезных потерь.

Количественные процессы затухания описываются добротностью Q. Q - это число периодов колебаний, в течение которых плотность излучения уменьшается в e раз. По определению, добротность равна отношению энергии, запасенной системой к теряющейся за период колебаний. Поэтому для оценки добротности будем исходить из соотношения:

Потери энергии при излучении из резонатора за время dt описываются выражением:

Если резонатор имеет зеркало с коэффициентом отражения r, то в результате отражения поля от таких зеркал резонатор потеряет энергию I(1-r). Эти потери энергии произойдут за время прохода волны от зеркала да зеркала, то есть . Следовательно, потери энергии за это время будут равны

.

Таким образом, если , то

.

Откуда получаем выражение для Q

.

Энергия лазерного излучения определяется степенью инверсной населенности. Эта величина в стационарном режиме генерации незначительна и не может быть сильно увеличена накачкой. Если избежать быстрого нарастания поля в резонаторе, то можно запасти в активной среде большую инверсную населенность.

Это соображение положено в основу лазеров с модулированной добротностью резонатора. Такой режим работы лазера называется режимом генерации с модуляцией добротности, или режимом Q-модуляции, или генерации с управляемой добротностью, или генерации гигантских импульсов.

Действие пассивных затворов основано на способности материалов изменять свои оптические свойства под влиянием падающего излучения. Простейшие пассивные затворы представляют собой пленку, помещенную в резонатор лазера. В определенный момент пленка испаряется, открывая расположенное за ней зеркало. При этом потери в резонаторе резко падают и происходит генерация гигантского импульса. Недостаток таких простейших модуляторов вытекает из необратимости происходящих процессов, в связи с чем чаще используются устройства на основе обратимых процессов: насыщения поглощения, нелинейности коэффициента отражения, вынужденного рассеяния, самофокусировки.

Для генерации лазерного излучения необходима активная среда, то есть среда, в которой существует инверсная населенность уровней энергии. Для создания такой среды проводится процесс так называемой накачки лазера, при котором происходит перераспределение электронов между рабочими уровнями, и создается инверсная населенность. Пожалуй больше всего способов создать инверсию в газовых смесях, поэтому рассмотрим некоторые методы накачки газовых лазеров.

4.1.1 Столкновения первого рода

.

К сожалению, для накачки этим способом требуется выполнение многих условий, сто возможно только для весьма ограниченного числа активных сред (например на инертных газах Ne, Ar, Kr, Xe).

4.1.2 Столкновения второго рода

Под столкновением второго рода подразумевают процессы, при которых атомы или молекулы обмениваются энергией возбуждения друг с другом. Схема такой накачки применяется в широко распространенных двухкомпонентных газовых смесях. Пусть в системе присутствуют два газа a и b. Тогда схема процесса накачки будет такой:

.

Возможно возбуждение не только в результате неупругих атом-атомных соударений, но и неупругими атом-молекулярными соударениями, при которых диссоциация молекул с переходом одного из атомов в возбужденное состояние, по схеме:

.

Впервые про такой схеме была получена генерация в Ne-O₂-лазере на длине волны 844,6 нм.

Метод оптической накачки для газовых лазеров менее эффективен, чем для твердотельных.. Это связано с тем, что: во-первых, полосы поглощения у газов весьма узки и попасть в резонанс труднее, во-вторых, как правило, резонансные линии большинства газов находятся в ультрафиолете, а в этой области практически отсутствуют материалы, пригодные для изготовления окон и зеркал. Из-за этих причин оптическая накачка применяется редко. Гораздо более предпочтительна накачка методом фотодиссоциации.

Схема возбуждения такова: .

Такого рода накачка весьма широкополосна, так как молекулярные спектры довольно широкие. Благодаря этому коэффициент использования ламп накачки при молекулярной фотодиссоциации на несколько порядков выше аналогичного коэффициента при атомарной оптической накачке. На этом принципе работают лазера на парах бромида таллия (TlBr), йодистого метила (CH₃I) и трифториодметана (CF₃I).

Большинство лазеров, основанных на фотодиссоциации, работают по химически необратимым схемам. В настоящее время идет активный поиск обратимых фотодиссоцианных реакций. Первый успех был получен на фотореакции дициана

.

Твердотельный лазер - это лазер, активная среда которого представляет собою кристалл. Лазеры этого типа были созданы первыми и активно используются до сих пор. Наиболее известны рубиновые твердотельные лазеры. В них активной средой является кристалл корунда Al₂O₃ c добавкой Cr₂O₃. Цвет кристалла изменяется от почти бесцветного к красному и затем к зеленому в зависимости от концентрации Cr₂O₃. Для генерации обычно используют розовые рубины с весовой концентрацией Cr₂O₃ порядка 0.005 %, что соответствует абсолютной концентрации хрома . Кроме рубина в качестве активной среды используют гранат, CaWO₄, Y₃Al₅O₁₂, и многие другие. Главный способ накачки – оптический.

В газовом лазере активная среда представляет собой газ или смесь газов. Первый газовый лазер заработал в 1961 голу. Это был лазер на смеси He-Ne. Позже были созданы CO₂, ICN, NeO₂, CH₃I лазеры, а также множество других. В настояшее время общее число смесей, на которых достигнута генерация, измеряется сотнями, а число рабочих длин волн - тысячами. Особенности газовых лазеров большей частью обусловлены том, что они в подавляющем большинстве случаев являются источниками излучения, использующими атомные или молекулярные спектры излучения. Длины волн переходов точно известны и практически не зависят от окружающей среды. Газовые лазеры обладают уникальной собственной шириной излучаемой линии. Кроме того, в газовых смесях можно многообразными способами создавать инверсную населенность. Эти механизмы возбуждения позволяют реализовать генерацию при малых значениях мощности накачек.

Это, пожалуй, самый простой лазер, представляющий собой соединение полупроводников с разными типами проводимости. При прохождении через p-n переход тока будет наблюдаться рекомбинация электронов и дырок, что приведет к излучению электромагнитных волн. На этом принципе и устроены полупроводниковые лазеры. Параметрами излучения полупроводниковых лазеров можно управлять в весьма широких пределах. Причем мощность излучения весьма значительна при миниатюрных размерах. Например мощность излучения лазера на основе арсенида галлия составляет около десяти ватт, что весьма существенно, если учесть, что эта мощность снимается и излучающего слоя толщиной всего 0.002 миллиметра и длиной 1 миллиметр. Полупроводниковые лазеры делаются обычно на основе арсенида галлия GaAs или кристалла Ga_1-xAl_xAs . Их крошечные размеры позволяют использовать их в электронных устройствах и переносных установках. Для повышения мощности полупроводниковых лазеров применяют накачку мощной импульсной лампой или электронным лучом. Накачивающее излучение проникает в переходную зону и создает в ней значительную инверсию населенностей уровней энергии.

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и получить большую энергию, но их трудно делать, они дороги и могут разрушаться от перегрева. Газы очень однородны и обладают уникальными свойствами, но имеют малую концентрацию атомов в активной среде и должны иметь большие размеры, для создания значительной мощности. Плотность жидкости всего в два-три раза ниже плотности твердых тел, поэтому количество атомов единице объема имеет тот же порядок, что и в твердотельных лазерах. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы.

Применение света для передачи сообщения известно давно. Еще в эпоху первых цивилизаций световая сигнализация применялась очень широко ввиду своей дальности действия. В первой половине этого столетия были успешно применены инфракрасные устройства для передачи информации в специальных системах, однако вследствие некогерентности излучения и тем самым сильно ограниченной дальности действия (недостаточная направленность светового пучка) и модуляционной способности подобные системы передачи не получили широкого распространения. Лишь с разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник света с отличными когерентными свойствами , излучение которого при большой частоте n и тем самым большой возможной полосе модуляции и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации. Так как лазер может излучать очень узкий спектр волн, то появилась возможность в одной и той же среде организовывать множество каналов связи. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах.

Развитие в этой области в последние годы происходило интенсивно и привело к тому, что в настоящее время уже существует большое число линий с лазером в качестве источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими частотами 10¹³ - 10¹⁵ Гц, соответствующими длинам волн l =33¸ 0,33 мкм. Применяемая длина волны из этого диапазона для передачи информации зависит от:

• постановки задачи по передаче информации (требуемая полоса частот модуляции, расстояние, передающая среда);
• источники света, имеющегося в распоряжении (в основном полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных случаях миниатюрные твердотельные лазеры, СО₂ лазеры);
• модуляционной способности;
• системы передачи (через вакуум, воздух, специальные газы, стекловолокно);

• возможности демодуляции.

6.1.1. Атмосфера

Эта среда первой использовалась для передачи информации, и она все еще используется во многих случаях. Для организации связи через атмосферу используют два излучателя и приемника, установленные в зоне прямой видимости друг от друга. Излучатели и приемники точно сонастроены и обеспечивают устойчивую передачу данных при различных условиях внешней среды. Для передачи необходима значительная мощность излучения, поэтому для генерации луча используются He-Ne или CO₂ газовые лазеры. Достоинства этой линии передачи состоит в дешевизне, простоте монтажа и невозможности физического повреждения. К сожалению, в условиях тумана, дождя или снега качество линии резко падает. К тому же даже в ясную погоду возможны нарушения передачи из-за пересечения луча стаей птиц или потоками воздуха с разными оптическими характеристиками (восходящие потоки, клубы дыма, облака пыли и газов и т.д.).

Атмосфера также накладывает дополнительные ограничения на дальность передачи: линия горизонта, особенности топологии местности и поглощение в среде вынуждают устанавливать ретрансляторы. Имеются серьезные ограничения на количество каналов и на структуру линии. Таким образом, область применения этой линии связи - это короткие линии класса точка-точка и случаи, когда организация других линий невозможна. В настоящее время атмосферные линии связи применяются в крупных городах для связи между отдельными зданиями, принадлежащими одному ведомству, и за полярным кругом, где это единственно приемлемый способ связи.

6.1.2. Линзовые световоды

К недостаткам можно отнести необходимость весьма точной настройки многих оптических элементов, что трудно достигнуть при колебаниях температуры и вибрациях для больших промежутков времени, кроме того, прокладка линзовых световодов большой длины требует больших затрат. Для обеспечения малых потерь нужно создавать линию как единое целое, что повышает стоимость и затрудняет устранение повреждений линии. В настоящее время данные линии связи почти не используются.

6.1.3. Оптоволоконные линии связи

Оптоволоконные линии связи в качестве среды для передачи информации используют системы оптических волноводов. Оптический волновод - это стекловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина имеет более высокий показатель преломления) по сравнению с показателем преломления оболочки. Вследствие полного внутреннего отражения свет распространяется в пределах сердцевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым затуханием и дисперсией. Оптоволокно имеет все преимущества линзовых световодов, но избавлено от их недостатков. Его можно изгибать множество раз при прокладке, причем конфигурация линии может меняться, без замены самого волокна. Стекловолокно очень устойчиво к физическим и химическим воздействиям и не подвержено влиянию помех. Материал для стекловолокна должен быть очень чистым и иметь строго определенные оптические характеристики, но сегодня имеются многочисленные технологии массового производства оптоволоконных кабелей. Сейчас оптоволокно является главным материалом для создания оптических линий связи.

6.2.1 Оптическая память однократной записи

Оптическая память чаще всего представляет собою диск, покрытый светоотражающим материалом, на поверхности которого нанесены концентрические метки. Метки могут быть самыми разнообразными: области с большим коэффициентом поглощения, выпуклости, углубления. Весь диск покрывается прозрачным слоем лака, который защищает поверхность диска от физического повреждения. Методы записи на такой диск различны и зависят от типа меток, которые используются для записи. Например, с помощью лазера (чаще всего полупроводникового) генерируется импульс мощности до15 мВт и длительности около 50 нс, который прожигает в тонком слое теллура отверстие диаметром около 1 мкм. Возможно так же произвести нагревание специального слоя, расположенного под отражающим, в результате чего происходит необратимая реакция и образуется выпуклость. Считывание информации производится тем же лазерным лучом, только его мощность снижается до 1 мВт.

6.2.2. Магнитооптическая запись информации.

Запись информации производится лазерным лучом на магнитной поверхности. Поверхность, нагреваясь выше точки Кюри, теряет намагниченность. Чередованием намагниченных и размагниченных участков производится запись информации. Считывание ведется тем же лазером с понижением мощности излучения. Плоскость поляризации отраженного от диска света в зависимости от направления намагничивания маленьких областей поворачивается на величину 0,5 - 8 град (в зависимости от магнитооптического слоя) , благодаря магнитооптическому эффекту Керра. Этот способ позволяет производить многократную запись информации с огромной плотностью порядка 10⁵ бит/см². Системы, основанные на данном принципе пока еще дороги, но тем не менее все активней используются там, где происходит постоянная обработка большого количества информации (издательства, банки, компьютерные концерны и т.д.).

Лазерное излучение из-за своих уникальных свойств оказалось идеально подходящим для локации. При обычной радиолокации много усилий тратилось на то, чтобы сделать радиолуч остронаправленным. Это необходимо для точного определения направления на цель. Луч лазера изначально имеет очень малую расходимость и не требует дополнительной фокусировки. Мощность отраженного излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к более коротким. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Создание коротковолновых радиолокаторов становилось все более сложным, пока не появился лазер.

В 1963 году была проведена первая оптическая локация Луны. Луч лазера, пройдя через зеркальный телескоп Крымской астрофизической обсерватории с диаметром зеркала 2.6 метра, дошел до Луны и, отразившись, вернулся. Мощность импульса составляла 35 тысяч ватт. Расстояние находится по формуле L=ct/2, что дало ошибку всего лишь в 200 метров. В дальнейшем система лунной локации была усовершенствована, на лунной поверхности были установлены специальные уголковые отражатели, и теперь ошибка измерений составляет 10 см. Лазерная локация на более близких расстояниях может давать еще более точные результаты.

Первыми все преимущества лазерной локации оценили военные. Первый лазерный дальномер XM-23 прошел испытание во Вьетнаме и был принят на вооружение в армии США. Он рассчитан на использование передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер с выходной мощностью 2.5Вт и длительностью импульса 30нс. В конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание дальномера производится от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24В, обеспечивающий 100 измерений дальности без подзарядки.

Лазерные дальномеры нашли широкое применение в геодезии и географии. С их помощью была установлена геоидная форма земного шара, были измерены с очень большой точностью относительные высоты основных точек поверхности Земли, определены многие расстояния. Сегодня с помощью лазерных дальномеров ученые следят за движением материков и подвижками земной коры.

• И.И. Кондиленко, П.А. Коротков, А.И.Хижняк: “Физика лазеров” Вища школа-84г
• С.Д. Транковский: “Книга о лазерах” 88г.
• О.Ф. Кабардин “Физика. Справочные материалы” М-91г.
• “Физический энцеклопедический словарь” 84г.
• Материалы журналов “Наука и жизнь”, “Компьютерра”