ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Артур Л. Шавлов. Оптические мазеры (лазеры) из "Лазеры Выпуск 11 " Принцип, на основе которого эти устройства испускают свет, открывает совершенно новую сферу применения электромагнитного излучения. Замечательная черта получаемого с их помощью света — его пространственная когерентность. [c.3] ТТ е менее полувека инженеры-связисты мечтали о приборе, который по эффективности и совершенству генерации световых волн мог бы сравниться с генераторами радиоволн. Невозможно представить себе более разные по чистоте вещи, чем электромагнитные волны, испускаемые обычной лампой накаливания, и волны радиопередатчика. Действительно, радиоволны лампового генератора стиснуты в настолько узкой полосе электромагнитного спектра и настолько чисты от шумов, что могут служить для передачи информации. В противоположность им все обычные источники света — в сущности, генераторы шумов, не пригодные в этом смысле ни для чего, кроме самой грубой сигнализации. Только в последний год, с появлением оптического мазера, появилась возможность точно управлять испусканием световых волн. [c.3] Хотя оптические мазеры появились недавно, они уже дают узконаправленные лучи света громадной интенсивности. Эти лучи значительно более монохроматичны, чем лучи других источников света. Как источники единственной частоты, лучшие оптические мазеры соперничают с самыми совершенными ламповыми генераторами. Развитие оптических мазеров идет так быстро, что в скором времени они непременно найдут самое широкое применение — от космической связи и радаров до ускорения специфических реакций в химической технологии. [c.3] Поэтому свет, полученный от любого обычного источника света, называется пространственно некогерентным. Это значит, что свет создается в виде перепутанных слабых отдельных волн, которые усиливают или гасят друг друга случайным образом. Волновой фронт, полученный таким образом, меняется от точки к точке и от одного момента времени к другому. Он напоминает волновой фронт, создаваемый в луже горстью брошенных туда камешков. С другой стороны, если в лужу бросить только один камешек, то создается когерентный круговой волновой фронт. Продолжая наши сравнения, можно представить себе точечный источник света, который может генерировать когерентные волны с фронтами, образующими сферические поверхности. В свою очередь, подходящий источник мог бы генерировать когерентные световые волны с плоскими волновыми фронтами, во всех точках плоскости которых напряженность электрического поля была бы одинаковой. По мере прохождения волновых фронтов через выделенную точку пространства можно было бы видеть плавное и ритмичное по фазе изменение напряженности электрического поля, колеблющейся между положительными и отрицательными значениями. [c.4] Если к обычному ламповому генератору радиоволн подключить небольшой излучатель подходящей конструкции, то излучатель будет испускать сферические когерентные волны. При желании к генератору может быть подключен целый набор излучающих антенн, которые будут испускать направленную волну, во многом похожую на плоскую. [c.4] Для того чтобы получить направленную волну от некогерентного источника света, необходимо взять источник малых размеров. Затем, поместив экран с отверстием на некотором расстоянии от источника, можно выделить сегмент волны, идущий в нужном направлении. В другом способе свет, испущенный небольшим источником света, можно сфокусировать большим зеркалом или линзой, создав луч с почти параллельными образующими. Образующие луча, созданного дуговой лампой и почти двухметровым зеркалом, отклоняются от параллельности примерно на один градус. Как мы увидим позднее, излучение оптического мазера и более узконаправленно, и более когерентно. [c.4] Возможно, наиболее важным недостатком обычных источников света является присущая им небольшая яркость. Как бы ни была высока их температура, они не могут излучать больше энергии, чем совершенный излучатель при такой же температуре. Теоретический выход совершенного излучателя, называемого черным телом, дается знаменитой кривой излучения черного тела, впервые найденной Максом План-ком. Например, видимая поверхность Солнца ведет себя в значительной степени аналогично черному телу с температурой 6000 градусов Цельсия, Полное солнечное излучение на всех длинах волн равно семи киловаттам на квадратный сантиметр его поверхности, и как бы мы ни собирали и ни концентрировали солнечный свет, невозможно достигнуть большей плотности излучения. [c.4] Обычные источники света подобны Солнцу они являются широкополосными генераторами шума, размазывая свое излучение по широкому интервалу частот, и на любой данной частоте концентрируется небольшая мощность. Даже газоразрядные лампы, излучающие свет с ограниченным числом узких линий спектра, уступают лучшим ламповым генераторам как источникам мощности, генерируемой на одной частоте. [c.5] Конечно, были приложены значительные усилия, чтобы использовать ламповые генераторы для получения более коротких волн. Длина самой короткой волны, которая может генерироваться средствами обычной радиотехники,— примерно один миллиметр или 10 миллионов ангстрем. Любая попытка получить таким путем более короткие волны сталкивается с огромными трудностями. В первую очередь — это трудность в изготовлении резонатора, который настраивает генератор. Эти резонаторы редко могут значительно превышать длину волны. При миллиметровой длине волны они уже настолько малы, что их трудно изготовлять с одинаковой точностью. Для создания волн оптических длин, величина которых на три порядка меньше, нужен совершенно другой подход. [c.5] Привлекательное решение проблемы заключалось в отказе от попыток создать такие крошечные резонаторы и замене их атомными или молекулярными резонаторами. Природа снабдила нас большим числом таких резонаторов во всех — инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой — областях спектра. Действительно, инженеры привыкли использовать атомные колебания в газоразрядных лампах. Однако единичный атом излучает очень мало энергии, да и то с интервалами. Что было бы нужно — так это какой-то способ синхронизовать большое число атомов таким образом, чтобы они могли работать вместе, создавая мощную когерентную волну. [c.5] Вынужденное излучение фотонов (внизу) является основой действия мазера, в противоположность поглощению (вверху) и спонтанному излучению (в середине). Когда атом в основном состоянии (черный кружок вверху слева) поглощает фотон (волнистая цветная стрелка), он возбуждается, или переходит в более высокое состояние (белый кружок вверху оправа). Возбужденный атом (в середине слева) может спонтанно излучить энергию, испуская фотон и возвращаясь в основное состояние (в середине справа). Возбужденный атом (внизу слева) можно заставить испустить фотон при соударении с внешним фотоном. Тогда в дополнение к вынуждающему фотону появляется второй фотон с той же самой длиной волны (снизу справа), и атом возвращается в основное состояние. [c.6] МОЩЬЮ инжекции в систему электромагнитной энергии на длинах волн, отличающихся от длины волны вынужденного излучения активационный процесс называется накачкой . [c.7] Когда приготовлена активная среда, ее необходимо поместить в отражающий бокс, или полость-резонатор. Тогда волна, возникающая на одной из стенок резонатора, будет увеличиваться по амплитуде до тех пор, пока не достигнет другой стенки, где она отразится обратно в массу возбужденных атомов. На стенках неизбежно существуют потери из-за неидеальности отражения. Если усиление вынужденного излучения достаточно велико, чтобы превысить потери при отражении, то в боксе будет устанавливаться стоячая волна. Для сантиметровых волн нетрудно создать бокс, имеющий размеры длины волны и сконструированный таким образом, чтобы устанавливалась волна только одной частоты колебаний. Единственной частоте колебаний соответствует единственная частота выходящего излучения. Добавочные частоты создают гармоники, или шумы, и конкурируют с нужной частотой в распределении энергии, выделяющейся из массы возбужденных атомов. [c.7] Для оптических длин волн размеры монохроматического резонатора должны быть неприемлемо малыми. Чтобы преодолеть эту трудность, Таунс и автор в 1958 году предложили резонатор специального типа для создания мазера на оптических длинах волн. Размеры такого резонатора в тысячи раз больше, чем длина волны излучения, но, тем не менее, он выделяет одну частоту колебаний. В оптическом мазере резонаторный бокс заменялся установкой с двумя маленькими-зеркалами, расположенными друг против друга (см. рис. 2). Волна, которая возникает вблизи одного зеркала и распространяется вдоль оси системы, будет расти за счет вынужденного излучения до тех пор, пока не достигнет другого зеркала. Здесь она отразится обратно в активную среду и будет продолжать расти. Если увеличение интенсивности в последующих проходах дйстаточно для того, чтобы превысить потери в зеркалах, то установится стоячая волна. Если одно из зеркал полупрозрачно, то часть волны может испускаться через него, образуя излучение мазера. [c.7] Атомы хрома (черные точки) в кристалле рубинового мазера накачиваются на более высокие энергетические уровни и затем вынужденно излучают фотоны, создавая мазерный луч. Атомы в основном (а) состоянии поглощают фотоны (волнистые цветные стрелки), которые накачивают их на одну или две энергетические полосы (б). Атомы передают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят на метастабильный энергетический уровень (в). Под воздействием фотонов, испущенных другими атомами хрома, они испускают фотоны собственной длины волны и переходят в основное состояние (г). [c.9] В мазере Джейвепа вынужденное излучение происходит при переходах атомов неона между двумя промежуточными уровнями, самый нижний из которых расположен достаточно высоко над основным состоянием. Для создания газового разряда требуется очень небольшое количество энергии — по существу столько же, сколько и в обычной неоновой трубке. В свою очередь, это обеспечивает перевод атомов неона на определенный уровень возбуждения, нужный для создания непрерывного мазерного луча (см. рис. 5). Так же как и в рубиновых мазерах, луч усиливается и делается когерентным при многократном отражении между плоскими торцами. [c.11] Вернуться к основной статье