шего через пары ртути, -которые светились под воздействием электрического разряда. На этой основе он высказал мысль о возможности создания соответствующего усилителя света. В 1950 г. американские физики Э. М. Переел и Р. В. Паунд наблюдали усиление радиоволн в результате вынужденного усиления, происходившего в установке, в которой случайно возникла инверсия населенностей. Наконец, в 1954 г. почти одновременно Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был создан первый квантовый генератор на молекулах аммиака. И хотя это был источник не опг тического, а микроволнового излучения (Я~ I см), в нем впервые был практически использован перевод рабочего тела в активное состояние с инверсной населенностью энергетических уровней. Идея великолепна по своей простоте: необходимо рассортировать молекулы рабочего тела таким образом, чтобы в нужном месте оказалось достаточно много молекул в возбужденном состоянии при минимальном количестве невозбужденных частиц.

Молекула аммиака состоит из одного атома азота (N) и трех атомов водорода (Н), а его химическая формула NH.

Рис. 7. Схематическое представление молекулы аммиака в основном (о) н в одном нз возбужденных состояний (б)

В основном состоянии атомы образуют пирамиду, основанием которой служит равносторонний треугольник (рис. 7, а) с атомами водорода в вершинах и атомом азота, являющимся вершиной пирамиды.

Одним из возможных возбужденных состояний является состояние, в котором атом азота совершает колебания, поочередно пррходя то вверх, то вниз через плоскость, образо-

ванную атомами водорода (рис. 7, б). Молекулы аммиака в основном и в возбужденном состоянии, о котором идет речь, имеют разные электрические свойства. Эта молекула в основном состоянии является электрическим диполем и может !;1двергаться воздействию электрических сил, тогда как в возбужденном состоянии, с электрической точки зрения, она полностью симметрична и абсолютно безразлична к воздей-ггвию внешнего электрического поля. Эта особенность и была использована.

Молекулы аммиака, выходя из источника через малое от-пррстие (капилляр), образуют молекулярный пучок (рис. 8). В пучке летят молекулы, находящиеся на различных уровнях в соответствии с распределением Больцмана. Однако достаточно пропустить такой пучок через электрическую сор-

noood

5 •

,• • О . • • . .,

• • . • ."о ,о

/.

Сортирующая система

о •

о о о

1ис. 8. Принцип действия электрической сортлрующей системы молекул нммиака: Щ-молекулы в основном состоянии (п); О -молекулы в возбужденном состоянии (т)

тирующую систему или через соответствующим образом устроенный источник неоднородного электрического поля, как это поле вытянет из пучка практически все молекулы, находящиеся в основном состоянии.- Молекулы же в возбужденном состоянии пройдут через сортирующую систему без каких-либо отклонений. В результате пучок молекул NH3, характеризовавшийся распределением Больцмана, будет пре- вращен в пучок активной среды с иверсной населенностью энергетических уровней. Поскольку разность между рассматриваемыми энергетическими уровнями для молекул аммиака

2 Зак. № 43 . 17

сравнительно левелика и соответствует длине волны Я«1 см, то процесс, происходящий в таком устройстве, изобретатели описали с помощью семи слов: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе с английского означает: микроволновое усиление [излучения] вынун< денным испусканием излучения. Первые буквы этих слов со ставили новое слово мазер, которое с этого времени сталс названием нового устройства.

Первые два квантовых генератора света были созданы в 1960-1961 гг. в США Т. Мейманом и А. Джаваном. Общий принцип действия этих устройств был таким же, как у мазера, однако, поскольку они работали в оптическом диапазоне длин волн, то в названии слово microwave (микроволновый) было заменено на light (свет) и по первым буквам сочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью вынужденного испускания излучения) было получено слово лазер.

Однако только создания активной среды, способной усиливать свет, еще недостаточно для реализации источника (генератора) светового излучения. Чтобы превратиться в генератор излучения, усилитель должен работать в режиме положительной обратной связи, т. е. необходимо, чтобы часть из-

Рнс. 9 Схема генератора как усилителя с положительной обратной связью

лучаемой световой энергии все время оставалось внутри ра бочего вещества. Под положительной обратной связью пони мается здесь такое воздействие выходного сигнала на входной, которое приводит к усилению входного сигнала. Усилитель будет работать как генератор, если, по крайней мере, часть сигнала, выходящего из усилителя, вернется на вход, чтобы увеличить входной сигнал (рис. 9).

В общем случае устройствами, реализующими в лазерах положительную обратную связь, являются резонаторы. Простейшим оптическим резонатором, который позволяет направлять пучок света так, чтобы он эффективно усиливался, служит система из двух зеркал, одно из которых полупрозрачно. Испущенная в какой-либо точке в результате спонтанного излучения световая волна усиливается за счет вынужденного излучения при распространении ее в активной среде. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет частично пройдет через него. Эта часть энергии излучается лазером вовне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине квантов света, которая не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания. Но выполнения двух описанных .словий еще недостаточно для возникновения генерации (вета. Должны быть учтены различные энергетические потери, в том числе и потери на лазерное излучение. Чтобы порыть их, необходим некоторый минимальный, или пороговый коэффицент усиления К, обеспечивающий начало и поддержание лазерной генерации. Можно определить минимальный, необходимый для работы лазера, коэффициент усиле-

лкти&ная cpeda

Генерируемый М с8ет Г\Л-

Рис. 10. Схема лазерного резонатора

ния, рассмотрев увеличение интенсивности светового пучка на резонансной частоте при его двукратном отражении от черкал резонатора.

Положим, что однородная активная среда полностью заполняет пространство между зеркалами (рис. 10). При прохождении пучка света от зеркала М\ до зеркала его интенсивность возрастает от начальной величины /о до конечной величины /ь

А-/о ехр ((/;;,-?.)£), где L - расстояние между зеркалами, Pv - распределенные потери на единицу длины из-за рассеяния и возможного по-

глощения на неактивных составляющих среды. После отражения от зеркала Мг интенсивность пучка

/, = А(1-а2).

где Яг - коэффициент потерь на зеркале Мг, представляющей собой отношение интенсивностей отраженного и падаю щего света.

Относительное увеличение интенсивности пучка после того, как он прошел через активную среду в обратном направ лении и испытал отражение от зеркала Mi (коэффициент потерь которого равен а коэффициент пропускания т), равно:

/ = (1-а,)(1-а,)Х

X0-)exp(2(fe,-p,)Z.) =

конечная интенсивность пучка начальная интенсивность пучка»

где К-полное усиление пучка в лазере за один цикл.

Если /С>1, то случайные флуктации на резонансной частоте лазера растут в каждом цикле прохода через резонатор и в резонаторе нарастает интенсивность излучения. В слу чае, когда /(<!, интенсивность излучения в резонаторе будет затухать. Как правило, потери в зеркалах малы, поэтому условие для возникновения лазерной генерации имеет вид /(-(1-а)(1-T)exp(2(/Jv-3v)L) = l, где а = а, + а2.

Усиление, необходимое для поддержания генерации лазера, зависит от активной среды (т. е. К, Ра) и от конструкции лазера (т. е. а, т, L), поэтому пороговое значение коэффициента усиления

/ 1 \

,=Р,+ -=#==Р. + Р.. (1.11)

где - потери на зеркалах резонатора.

Если полезный выход рассматривать как потери излучения, то условие непрерывной генерации можно сформулировать следующим образом: усиление должно равняться сумме всех потерь в лазере.

Таким образом, для создания лазера необходимы:

1) активная среда с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

2) система зеркал, между которыми помещается активная среда, и с их помощью осуществляется положительная обратная связь;

3) усиление, обеспечиваемое активной средой, а значит, и число возбужденных частиц в среде, должно быть больше порогового значения, зависящего от потерь излучения в резонаторе.

1.3. Классификация и структура лазеров

В последние тридцать лет лазерная техника бурно развивалась. Исследовано множество явлений, которые были использованы для создания лазеров различных видов (рис. И). Несмотря на разнообразие активных сред, широчайший диапазон спектральных, временных и энергетических характеристик излучения общими для лазеров являются не только принцип действия, но и в значительной мере структурные и конструктивные схемы лазерных устройств. Основным элементом любого лазера является рабочее тело, которое может тем или иным способом переводиться в активное состояние, характеризующееся инверсной населенностью энергетических уровней атомов, ионов или молекул, составляющих эту среду (см. рис. 12).

В качестве рабочих тел современных лазеров используются вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях: газы, жидкости, твердые тела. Характерные размеры активной среды для лазеров разных типов в зависимости*от энергетических характеристик могут составлять от нескольких метров для мощных газовых лазеров до долей миллиметра для полупроводниковых лазеров. Рассмотренный выше способ создания активной среды в мазере на аммиаке с помощью специальной сортирующей системы, хотя и очень наглядно иллюстрирует принципиальную возможность реализации инверсной населенности в рабочем теле, в лазерах практически не используется. Это объясняется прежде всего невозможностью обеспечения высоких плотностей энергии. Наиболее часто в лазерах применяют другой способ создания инверсной населенности, связанный с передачей энергии рабочему телу, таким образом, что, по крайней мере, 4actb ее оказывается возможным преобразовать в лазерное излучение.

Такое энергетическое воздействие на среду получило на-; звание накачки, а соответствующая система лазера, обеспечивающая реализацию этого процесса, называется системой чакачвд.