Лазеры и их применение

М. Ф. Сэм (Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 6, 1996 г. Содержание

---

• Введение
• Принцип работы и устройство лазера
• Режимы работы лазеров
• Режим модулированной добротности (режим генерации гигантских импульсов)
• Метод синхронизации продольных мод
• Свойства лазерного излучения
• Заключение. Области применения лазеров
• Литература

Введение

Лазеры - это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне, действие которых основано на индуцированном (вызванном полем световой волны) излучении квантовых систем - атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, существенно отличных от термодинамического равновесия. Лазеры, как и мазеры, генераторы и усилители СВЧ диапазона, называют еще квантовыми генераторами (усилителями), поскольку поведение участвующих в их работе частиц описывается законами квантовой механики. Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света (тепловых, газоразрядных и др.), представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам - направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. - превосходящие классические устройства радиодиапазона.

Отметим, что высокая степень когерентности достигается за счет того, что лазерное излучение получается именно за счет индуцированных полем световой волны переходов с одного (верхнего) уровня квантовой системы на другой (нижний), при которых излучение каждой микрочастицы когерентно с вызвавшей его волной, а следовательно, излучение всех частиц когерентно между собой. Во всех других источниках света излучение рождается за счет спонтанных, случайных и некорелированных между собой переходов микрочастиц, и поэтому его когерентность крайне низка. Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А. Эйнштейном в 1916 году, он же предсказал когерентность вынуждающему излучению, которая была позже (1929 год) строго обоснована Дираком в созданной им квантовой теории излучения. Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение относится, очевидно, к 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы. В 1939 году советский физик В.А. Фабрикант, изучавший отрицательное поглощение в газах, указал на возможность усиления света за счет индуцированного излучения как на способ обнаружения этого излучения. Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к сожалению, остались практически не замеченными и не оказали существенного влияния на создание лазеров, как и поданная В.А. Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявка на изобретение "нового способа усиления электромагнитного излучения УФ, видимого, ИК и радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о создании лазеров [Донина Н.М., 1974]. Хотя, как следует из изложенного выше, основные понятия квантовой электроники (об индуцированном излучении, инверсии, возможности усиления за счет индуцированного излучения) были сформулированы уже к 1940 году применительно к оптике, создание квантовых приборов шло от мазеров к лазерам, от радиодиапазона к оптическому. То, что первые квантовые приборы появились в радиодиапазоне (СВЧ), связано с тем, что классическая радиофизика не могла решить традиционными для нее методами ряд очень важных с практической точки зрения проблем, таких, как освоение более коротких волн, создание в коротковолновом диапазоне высокостабильных, малошумящих и достаточно мощных приборов. Это настоятельно заставляло искать другой подход к решению этих проблем и привело к созданию в СВЧ-диапазоне принципиально новых приборов - квантовых усилителей и генераторов. Первый квантовый генератор, работающий на переходе молекулы аммиака с длиной волны 1,25 см, был реализован в 1954 году Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) и группой под руководством Ч. Таунса в Колумбийском университете (США). Первые квантовые усилители СВЧ-диапазона были созданы в 1956 году в ФИАН под руководством А.М. Прохорова и в фирме "Белл телефон" (США) [Донина Н.М., 1974]. Квантовые генераторы СВЧ, обладающие высокой стабильностью частоты, нашли применение в службе времени, радионавигации. Квантовые парамагнитные усилители с чрезвычайно низким уровнем собственных шумов позволили повысить на два - три порядка чувствительность приемных устройств СВЧ-диапазона, что обеспечило громадный успех в радиоастрономии, трансконтинентальной связи через космос и вообще в приеме слабых сигналов. В оптике же привыкли иметь дело со спонтанным (шумовым) излучением, вопрос о создании мощного генератора когерентных колебаний у оптиков как-то вообще не возникал. Первый лазер был создан в 1960 году, через 6 лет после создания мазера, причем определяющими для его создания были идеи и предложения создателей мазеров А.М. Прохорова и Н.Г. Басова (ФИАН), И. Таунса и А. Шавлова (США). Появление лазеров произвело революцию в оптике: появились не существовавшие до этого мощные источники когерентного излучения с высокой направленностью, яркостью, способные концентрировать громадную энергию в чрезвычайно малых спектральных, временных и пространственных интервалах. В становлении и развитии квантовой радиофизики, создании мазеров и лазеров большую роль сыграли работы отечественных ученых. Международным признанием этой роли явилось присуждение в 1964 году Н.Г. Басову и А.М. Прохорову вместе с Ч. Таунсом Нобелевской премии по физике за "основополагающие работы в области квантовой радиофизики, которые привели к созданию генераторов и усилителей в радио и оптическом диапазоне длин волн (мазеров и лазеров)".

Вперед

Публикации с ключевыми словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний Публикации со словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний

См. также: Лучи лазеров помогают успокоить атмосферу Лазер бьет в центр Галактики Атака лазерной опорной звезды Туманность с лазерными лучами Четыре лазера над Мауна Кеа Папа усмиряет Омикрон Кита Лазерный выстрел в центр Галактики Все публикации на ту же тему >>