Физический энциклопедический словарь - лазер (оптический квантовыйгенератор)

До создания Л. когерентные эл.-магн. волны существовали практически лишь в радиодиапазоне, где они возбуждались генераторами радиоволн. В оптич. диапазоне имелись лишь некогерентные источники, излучение к-рых представляет суперпозицию волн, испускаемых множеством независимых микроскопич. излучателей. В этом случае фаза результирующей волны изменяется хаотически, излучение занимает значит. диапазон  и обычно не имеет определённого направления в пр-ве.

С квант. точки зрения излучение нелазерных источников света складывается из фотонов, испускаемых независимо отд. ч-цами, причём их испускание происходит спонтанно, в произвольных направлениях, в случайные моменты времени, а длина волны, возникающей при сложении множества актов испускания, не имеет точно определённого значения и лежит в пределах, зависящих от разброса индивидуальных св-в излучающих микросистем (см. Спонтанное излучение, Источники оптического излучения). Действие Л. основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля (см. Квантовая электроника).

337

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ РАЗНЫХ ТИПОВ

Вероятность вынужденного испускания для системы, находящейся в возбуждённом состоянии ξ2, пропорц. спектр. плотности излучения () действующей волны и равна вероятности поглощения для системы, находящейся в ниж. состоянии ξ1. При термодинамич. равновесии в ансамбле, состоящем из большого кол-ва ч-ц, каждая из к-рых может находиться только, напр., в двух энергетич. состояниях ξ1 и ξ2, числа ч-ц n1 и N2, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причём N2 < n1. Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает эл.-магнитные волны, хотя для единичного акта вероятность вынужденного испускания фотона равна вероятности его поглощения, полная вероятность поглощения, пропорц. числу n1 ч-ц на ниж. уровне, больше вероятности вынужденного испускания, пропорц.

числу N2 ч-ц на верх. уровне. Поглощение может уступить место усилению эл.-магн. волны при её распространении сквозь в-во, если N2 > n1. Такое состояние в-ва наз. инверсным (обращённым), или состоянием с инверсией населённостей, и не является равновесным.

Если через среду с инверсией населённости проходит эл.-магн. волна с частотой =(ξ2-ξ1) ћ, то по мере её распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счёт актов вынужденного испускания, число к-рых N2 превосходит число актов поглощения N1. Увеличение интенсивности волны (усиление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну (рис. 1). Усиление эл.-магн. волны за счёт вынужденного испускания приводит к экспоненциальному закону роста её интенсивности I по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в в-ве: I = I0exp(z), где I0 — интенсивность входящей волны,  ~ (N2-n1) — коэфф. квант. усиления, В реальном в-ве наряду с усилением неизбежны потери, связанные с нерезонансным поглощением, рассеянием и т. п. Если ввести для описания суммарных потерь коэфф. потерь , то I=I0exp[(-)z].

В-во, приведённое к.-л. образом в инверсное состояние, неизбежно возвратится в равновесное состояние — релаксирует (см. Релаксация). При этом избыточная энергия выделяется в виде фотонов (излучательные переходы) или переходит в тепловую энергию (б е з ы з л у ч а т е л ь н ы е п е р е х о д ы). Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации явл. сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при <), усиливается за счёт актов вынужденного испускания (сверхлюминесценция).

Рис. 1. Усиление световой волны в активной среде.

338

Мощность W сверхлюминесценции зависит от размеров l среды вдоль направления наблюдения. Сверхлюминесценция отличается от обычной люминесценции большей яркостью, более узким спектром и частичной когерентностью. Для превращения сверхлюмииесценции в генерацию когерентных волн необходимо наличие обратной связи, в результате к-рой эл.-магн. волна, испущенная ч-цами инвертированной среды, многократно вызывает в этой среде новые акты вынужденного испускания точно таких же волн. I! оптич. диапазоне обратную связь осуществляют применением той или той комбинации отражателей, напр. зеркал.

Л. содержит три осн. компонента: активную среду (активный элемент), в к-рой создают инверсию населённостей; устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки); устройство для обеспечения положит. обратной связи (оптич. резонатор). Простейший оптич. резонатор (резонатор Фабри — Перо) состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно. В оптич. резонаторе может существовать множество собств. стоячих волн, отличающихся тем, что для каждой из них между зеркалами укладывается целое число полуволн (см. Оптический резонатор).

Процесс