3.2.2. Когерентное излучение и его основные свойства

Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми те­лами, можно представить в виде набора большого числа гармони­ческих электромагнитных волн с различными частотами и хаотич­но изменяющимися во времени фазами.

При распространении гармонической электромагнитной волны в пространстве создаются чередующиеся электрическое поле на­пряженностью Е и магнитное поле напряженностью Н, изменяю­щиеся в пространстве и во времени по гармоническому закону:

Здесь E₀ и H₀ - амплитуды колебаний напряженностей E и H; v -частота колебаний; λ = c/v - длина волны; с - скорость света в вакууме. Если частота колебаний v (и длина волны λ) не зависит от времени t, то волна называется монохроматической. Реальные электромагнитные волны не являются монохроматическими.

Немонохроматическую волну можно представить в виде сум­мы конечного (или бесконечного) числа монохроматических волн, и чем уже диапазон, в котором группируются частоты монохро­матических составляющих немонохроматической волны, тем бли­же она по свойствам к монохроматической волне.

Аргумент синуса (косинуса) в выражениях (3.11), называемый фазой колебаний гармонической волны, определяет состояние ко­лебательного процесса в момент времени t в точке пространства х при распространении электромагнитной волны с начальной фазой φ. Согласованное протекание во времени нескольких колебатель­ных или волновых процессов называется когерентностью. Если разность фаз колебаний двух электромагнитных волн постоянна или изменяется не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такие волны когерентны. Монохроматические волны всегда когерентны, а взаимная когерентность двух немонохрома­тических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их начальных фаз постоянна во времени.

Генерация когерентных радиоволн была осуществлена еще до появления лазеров, но генерировать когерентный свет стало воз­можным только после создания лазерных источников оптического излучения. Получение когерентных электромагнитных волн опти­ческого диапазона благодаря их высокой частоте позволяет пере­давать по оптическому каналу связи гораздо больше информации, чем по радиоканалу. Чем короче длина волны, тем меньшую рас­ходимость можно получить при формировании из этих волн па­раллельных пучков энергии, а это обстоятельство весьма важно При локации и определении расстояния до предметов.

Получить при помощи обычных источников монохроматиче­ский свет достаточной интенсивности не представляется возмож­ным. С целью создания мощных источников когерентного света физики исследовали различные способы его генерации и анало­гично генерации радиоволн пытались применить для этой цели электронные потоки и объемные резонаторы. Однако размеры ре­зонатора должны быть соизмеримы с длиной волны, что в данном случае трудно осуществимо. Традиционное для радиотехники ге­нерирование колебаний при помощи электронных потоков в данном случае оказалось не осуществимым, и получение когерентных электромагнитных волн в оптическом диапазоне было реализовано средствами квантовой электроники (ее прикладного раздела - ла­зерной техники).

Квантовая электроника оперирует отдельными молекулами и атомами, используя для генерации колебаний их резонансные свойства. Атомы, молекулы и кристаллы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер и электронов. Энергия относительного дви­жения частиц, составляющих атом или мо­лекулу, в соответствии с современными фи­зическими воззрениями может принимать только строго определенные значения энер­гии ε₀, ε₁, ε₂,..., ε_m, ε_n, которые называют уровнями энергии (рис. 3.4). Система энер­гетических уровней составляет энергетиче­ский спектр атома; нижний уровень с ми­нимальной энергией ε₀ называется ос­новным, а остальные - возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обла­дающих данной энергией, называется заселенностью (населенно­стью) соответствующего энергетического уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне ε₀, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спон­танно) перейти на один из нижерасположенных уровней, испустив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фо­тона). Если излучение происходит при переходе атома с уровня энергии ε_n на уровень ε_m, то частота испускаемого (или погло­щаемого) фотона

(3.12)

Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние, и при переходе в нижние состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени, имеют различ­ную фазу и случайный характер направления распространения. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и ненаправленно.

Кроме спонтанного излучения возбужденного атома сущест­вует вынужденное излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромагнитного поля. Явле­ние вынужденного излучения дает возможность управлять излуче­нием атомов с помощью электромагнитного поля и таким путем усиливать или генерировать когерентное световое излучение.

Чтобы это осуществить практически, нужно выполнить сле­дующие условия.

1.Необходимо обеспечить резонанс - совпадение частоты па­дающего света с одной из частот v_mn энергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ε_n на уровень ε_m будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения.

2.Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне ε_n, происходит резонансное погло­щение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне г_т. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень ε_m, что препятствует генерации света. Для генерации когерент­ного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ε_n было больше числа атомов на нижнем уровне ε_m (ε_n, ε_m - уровни, между которыми происходит переход). В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излу­чения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был «заселен» больше, чем нижний. Такое со­стояние вещества в физике называется активным или состоянием с инверсной (обращенной) населенностью. Н.Г. Басов и A.M. Про­хоров предложили метод трех уровней, в котором для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомога­тельное излучение (накачка).

3. В процессе генерации излучения часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых порций атомов, т. е. осуществляя обратную связь. Это обычно выполняется при помощи зеркал по схеме, изображенной на рис. 3.5. Зеркало 1 отражает всю падающую на него энергию, а зеркало 2 является полупрозрач­ным. Часть энергии оно пропускает из рабочего пространства на­ружу (полезная энергия), а отраженная энергия служит для вовле­чения в генерацию новых порций рабочего вещества.

4. Усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэффи­циента отражения полупрозрачного зеркала. Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обес­печиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим ве­ществом излучение затухнет.

Выполнение этих условий позволяет создать систему, способ­ную генерировать когерентное световое излучение. Такая система получила название оптического квантового генератора (ОКГ), или лазера. Таким образом, лазер - это генератор пучка электромаг­нитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диа­пазонов. В отличие от излучения традиционных световых источ­ников лазерное излучение обладает высокой когерентностью, ма­лой угловой расходимостью, высокой монохроматичностью и большой мощностью. Работа этого генератора основана на прин­ципе усиления вынужденного излучения.