Физика процесса лазерного излучения

Для эффективного использования света в лазерной резке необходимо добиться синхронного и синфазного излучения атомов, то есть когерентного излучения.

Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного такого же фотона и т.д. Происходит многократное увеличение светового потока. В результате такого усиления будет двигаться поток фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, то есть излучение будет когерентным.

В действительности кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии, имеются атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударившихся в них фотонов и уменьшают энергию выходного излучения.

file-10026

Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, усиления света не происходит, так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами. Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Иначе говоря, должна быть обеспечена инверсия населенности энергетических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на основных орбитах, необходимо «переселить» электроны на более удаленные от ядра орбиты, т.е. возбудить большинство атомов. Для этого к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веществом, необходимо подводить энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс получил название накачки.

Мы рассмотрели принцип создания усилителя света, получившего название лазер – от начальных букв слов light amplification by stimulated emission of radiation, что означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Принцип лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором, можно пояснить следующим образом.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя плоскими зеркалами, одно из которых полупрозрачно, движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство, в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где частично отражается и т.д. При условии, что внешний источник поддерживает инверсное состояние активной среды, через зеркало 2 постоянно будет излучаться когерентный поток фотонов.