Lazery i ih primenenie

M. F. Sem (Rostovskii gosudarstvennyi universitet, Rostov-na-Donu)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 6, 1996 g. Soderzhanie

---

• Vvedenie
• Princip raboty i ustroistvo lazera
• Rezhimy raboty lazerov
• Rezhim modulirovannoi dobrotnosti (rezhim generacii gigantskih impul'sov)
• Metod sinhronizacii prodol'nyh mod
• Svoistva lazernogo izlucheniya
• Zaklyuchenie. Oblasti primeneniya lazerov
• Literatura

Vvedenie

Lazery - eto generatory i usiliteli kogerentnogo izlucheniya v opticheskom diapazone, deistvie kotoryh osnovano na inducirovannom (vyzvannom polem svetovoi volny) izluchenii kvantovyh sistem - atomov, ionov, molekul, nahodyashihsya v sostoyaniyah, sushestvenno otlichnyh ot termodinamicheskogo ravnovesiya. Lazery, kak i mazery, generatory i usiliteli SVCh diapazona, nazyvayut eshe kvantovymi generatorami (usilitelyami), poskol'ku povedenie uchastvuyushih v ih rabote chastic opisyvaetsya zakonami kvantovoi mehaniki. Principial'nym otlichiem lazerov ot vseh drugih istochnikov sveta (teplovyh, gazorazryadnyh i dr.), predstavlyayushih soboi po suti dela istochniki opticheskogo shuma, yavlyaetsya vysokaya stepen' kogerentnosti lazernogo izlucheniya. S sozdaniem lazerov v opticheskom diapazone poyavilis' istochniki izlucheniya, analogichnye privychnym v radiodiapazone generatoram kogerentnyh signalov, sposobnye uspeshno ispol'zovat'sya dlya celei svyazi i peredachi informacii, a po mnogim svoim svoistvam - napravlennosti izlucheniya, polose peredavaemyh chastot, nizkomu urovnyu shumov, koncentracii energii vo vremeni i t.d. - prevoshodyashie klassicheskie ustroistva radiodiapazona.

Otmetim, chto vysokaya stepen' kogerentnosti dostigaetsya za schet togo, chto lazernoe izluchenie poluchaetsya imenno za schet inducirovannyh polem svetovoi volny perehodov s odnogo (verhnego) urovnya kvantovoi sistemy na drugoi (nizhnii), pri kotoryh izluchenie kazhdoi mikrochasticy kogerentno s vyzvavshei ego volnoi, a sledovatel'no, izluchenie vseh chastic kogerentno mezhdu soboi. Vo vseh drugih istochnikah sveta izluchenie rozhdaetsya za schet spontannyh, sluchainyh i nekorelirovannyh mezhdu soboi perehodov mikrochastic, i poetomu ego kogerentnost' kraine nizka. Ponyatie ob inducirovannom izluchenii bylo vvedeno v fiziku A. Einshteinom v 1916 godu, on zhe predskazal kogerentnost' vynuzhdayushemu izlucheniyu, kotoraya byla pozzhe (1929 god) strogo obosnovana Dirakom v sozdannoi im kvantovoi teorii izlucheniya. Pervaya popytka eksperimental'no obnaruzhit' inducirovannoe izluchenie otnositsya, ochevidno, k 1928 godu, kogda Landenburg, izuchaya otricatel'nuyu dispersiyu sveta, sformuliroval usloviya obnaruzheniya inducirovannogo izlucheniya kak preobladanie ego nad poglosheniem (uslovie inversii), otmetiv, chto dlya etogo neobhodimo special'noe izbiratel'noe vozbuzhdenie kvantovoi sistemy. V 1939 godu sovetskii fizik V.A. Fabrikant, izuchavshii otricatel'noe pogloshenie v gazah, ukazal na vozmozhnost' usileniya sveta za schet inducirovannogo izlucheniya kak na sposob obnaruzheniya etogo izlucheniya. Nesmotrya na vazhnost' sdelannyh v etih rabotah vyvodov, oni, k sozhaleniyu, ostalis' prakticheski ne zamechennymi i ne okazali sushestvennogo vliyaniya na sozdanie lazerov, kak i podannaya V.A. Fabrikantom s sotrudnikami v 1951 godu zayavka na izobretenie "novogo sposoba usileniya elektromagnitnogo izlucheniya UF, vidimogo, IK i radiodiapazonov", kotoraya byla opublikovana tol'ko v 1959 godu, uzhe posle sozdaniya mazerov i publikacii drugimi uchenymi predlozhenii o sozdanii lazerov [Donina N.M., 1974]. Hotya, kak sleduet iz izlozhennogo vyshe, osnovnye ponyatiya kvantovoi elektroniki (ob inducirovannom izluchenii, inversii, vozmozhnosti usileniya za schet inducirovannogo izlucheniya) byli sformulirovany uzhe k 1940 godu primenitel'no k optike, sozdanie kvantovyh priborov shlo ot mazerov k lazeram, ot radiodiapazona k opticheskomu. To, chto pervye kvantovye pribory poyavilis' v radiodiapazone (SVCh), svyazano s tem, chto klassicheskaya radiofizika ne mogla reshit' tradicionnymi dlya nee metodami ryad ochen' vazhnyh s prakticheskoi tochki zreniya problem, takih, kak osvoenie bolee korotkih voln, sozdanie v korotkovolnovom diapazone vysokostabil'nyh, maloshumyashih i dostatochno moshnyh priborov. Eto nastoyatel'no zastavlyalo iskat' drugoi podhod k resheniyu etih problem i privelo k sozdaniyu v SVCh-diapazone principial'no novyh priborov - kvantovyh usilitelei i generatorov. Pervyi kvantovyi generator, rabotayushii na perehode molekuly ammiaka s dlinoi volny 1,25 sm, byl realizovan v 1954 godu N.G. Basovym i A.M. Prohorovym v Fizicheskom institute im. P.N. Lebedeva AN SSSR (FIAN) i gruppoi pod rukovodstvom Ch. Taunsa v Kolumbiiskom universitete (SShA). Pervye kvantovye usiliteli SVCh-diapazona byli sozdany v 1956 godu v FIAN pod rukovodstvom A.M. Prohorova i v firme "Bell telefon" (SShA) [Donina N.M., 1974]. Kvantovye generatory SVCh, obladayushie vysokoi stabil'nost'yu chastoty, nashli primenenie v sluzhbe vremeni, radionavigacii. Kvantovye paramagnitnye usiliteli s chrezvychaino nizkim urovnem sobstvennyh shumov pozvolili povysit' na dva - tri poryadka chuvstvitel'nost' priemnyh ustroistv SVCh-diapazona, chto obespechilo gromadnyi uspeh v radioastronomii, transkontinental'noi svyazi cherez kosmos i voobshe v prieme slabyh signalov. V optike zhe privykli imet' delo so spontannym (shumovym) izlucheniem, vopros o sozdanii moshnogo generatora kogerentnyh kolebanii u optikov kak-to voobshe ne voznikal. Pervyi lazer byl sozdan v 1960 godu, cherez 6 let posle sozdaniya mazera, prichem opredelyayushimi dlya ego sozdaniya byli idei i predlozheniya sozdatelei mazerov A.M. Prohorova i N.G. Basova (FIAN), I. Taunsa i A. Shavlova (SShA). Poyavlenie lazerov proizvelo revolyuciyu v optike: poyavilis' ne sushestvovavshie do etogo moshnye istochniki kogerentnogo izlucheniya s vysokoi napravlennost'yu, yarkost'yu, sposobnye koncentrirovat' gromadnuyu energiyu v chrezvychaino malyh spektral'nyh, vremennyh i prostranstvennyh intervalah. V stanovlenii i razvitii kvantovoi radiofiziki, sozdanii mazerov i lazerov bol'shuyu rol' sygrali raboty otechestvennyh uchenyh. Mezhdunarodnym priznaniem etoi roli yavilos' prisuzhdenie v 1964 godu N.G. Basovu i A.M. Prohorovu vmeste s Ch. Taunsom Nobelevskoi premii po fizike za "osnovopolagayushie raboty v oblasti kvantovoi radiofiziki, kotorye priveli k sozdaniyu generatorov i usilitelei v radio i opticheskom diapazone dlin voln (mazerov i lazerov)".

Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: lazer - kvantovyi usilitel' - kvantovyi generator - kogerentnost' - inversnaya naselennost' - mazer - spontannoe izluchenie - vynuzhdennoe izluchenie - nakachka - opticheskii rezonator - moda kolebanii Publikacii so slovami: lazer - kvantovyi usilitel' - kvantovyi generator - kogerentnost' - inversnaya naselennost' - mazer - spontannoe izluchenie - vynuzhdennoe izluchenie - nakachka - opticheskii rezonator - moda kolebanii

Sm. takzhe: Luchi lazerov pomogayut uspokoit' atmosferu Lazer b'et v centr Galaktiki Ataka lazernoi opornoi zvezdy Tumannost' s lazernymi luchami Chetyre lazera nad Mauna Kea Papa usmiryaet Omikron Kita Lazernyi vystrel v centr Galaktiki Vse publikacii na tu zhe temu >>