- Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники

Это продолжение увлекательной статьи про лазер.

...

Эйнштейна.

Рассмотрим два каких-нибудь состояния атома с энергиями Ет и Е„ (при Ет> Еп) (рис. 2.2). Вводится вероятность спонтанного перехода в

единицу времени Атп из состояния т в состояние п. Величина А_mn имеет смысл среднего числа актов излучения в единицу времени, приходящихся на один атом, и равна обратному времени жизни атома в возбужденном состоянии: Ат„ = Мтт. Эйнштейн ввел коэффициент Атп , считая, что молекула может перейти из одного состояния в другое более низкое энергетическое состояние «без побуждения со стороны внешних причин». Бор развил эту идею, говоря, что система «будет спонтанно переходить в стационарное состояние с меньшей энергией». После Бора коэффициент АтП стали называть вероятностью спонтанного излучения. Используя принцип соответствия, Бор связал коэффициент Атп с коэффициентами Функционального

разложения дипольного момента

Если атом, находящийся в состоянии Еп, помещен во внешнее электромагнитное поле с частотой а), то он поглощает энергию поля при совпадении этой частоты с частотой перехода (omn = (Ет -En)/h . В результате атом переходит в возбужденное состояние Е т . Пусть р[а — спектральная плотность энергии электромагнитного излучения. Вводят величину Wnm = Bnmpa. Этой величине придают смысл вероятности поглощения излучения атомом в единицу времени.

Наряду с процессом поглощения, в результате которого происходит переход п->т , Эйнштейн предусмотрел возможность существования обратного процесса — вынужденное, стимулированное, или индуцированное испускание. Этот процесс происходит при переходе т—>п под воздействием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна частоте перехода. Он характеризуется величиной Wmn = Bmnp0J, которая имеет смысл вероятности индуцированного излучения в единицу времени. Коэффициенты Атп, Втп, Впт и называются коэффициентами Эйнштейна. Они связаны соотношением

эффициент gn (или gm) называется статистическим весом, или кратностью вырождения п -го (или m -го) состояния.

Представления Эйнштейна о спонтанных и вынужденных переходах, связанных с испусканием и поглощением излучения, оказались чрезвычайно важными для дальнейшего развития теории излучения. Эти представления стали основой создания в наше время мазеров и лазеров.

Используя представления о переходах в состоянии равновесия атомов с излучением, Эйнштейн дал изящный вывод формулы Планка для спектральной плотности излучения pv . Так еще раз была подтверждена квантовая гипотеза Планка.

Однако гипотеза световых квантов Эйнштейна несмотря на успешные опыты Милликена и др. не вызывала доверия у физиков того времени. Характерен такой эпизод. Когда в 1913 году Планк, Нернст, Рубенс и Варбург выдвинули Эйнштейна в члены Прусской академии наук, они в заключение своей рекомендации писали: «В целом можно сказать, что вряд ли найдется какая-нибудь из важных проблем современной физики, в решение которой Эйнштейн не внес бы замечательного вклада. То, что он иногда не попадает в цель, как, например, в случае гипотезы световых квантов, нельзя считать отрицательным аргументом, поскольку невозможно выдвинуть новую идею, даже в наиболее точной науке, без некоторой доли риска».

А известный физик Чарлз Баркла (Ch.Bark.la, 1877-1944), получая Нобелевскую премию в 1918 году за исследований рентгеновского излучения, говорил, что из его опытов с рентгеновскими лучами следует, что излучение и поглощение непрерывны и что только атомы в некоторых исключительных случаях испускают свет квантами. Многие физики того времени считали, что кванты света не представляют никакой физической реальности, а являются лишь удачным эвристическим способом определения некоего количества энергии, связанного, возможно, с какой-то особенностью электромагнитного поля, т. е. квант света рассматривался лишь как некая мера, а не как своеобразная корпускула. Ив 1921 году Нобелевский комитет сформулировал присуждение премии Эйнштейну «за вклад в теоретическую физику, и особенно за открытие закона фотоэффекта», при этом даже не было упомянуто ни об открытии квантов электромагнитного поля, ни о создании теории относительности.

Тем не менее, по мере того, как все новые и новые явления могаи быть объяснены лишь в рамках квантовых представлений, происходило медленное и постепенное признание физической реальности квантов. Отрицательное отношение физиков к гипотезе световых квантов объясняется тем, что эта гипотеза возвращала корпускулярные представления о свете. Все хорошо помнили, как после долгих лет дискуссий ньютоновские корпускулярные преставления были решительно отброшены, поскольку с их помощью невозможно было объяснить ни закона преломления света, ни интерференции, ни дифракции. Между тем, световые кванты не могут иметь ничего общего с ньютоновскими корпускулами света. Квант света является особой частицей, распространяющейся со скоростью света в вакууме. Энергия кванта света равна Е = ср = hv , при этом наряду с энергией квант света имеет также импульс, равный p-hv(c. Однако квант света оставался гипотетической частицей, пока его существование не было доказано в эксперименте.

Таким образом открытие квантов и вынужденного излучая стало отправной точкой в пути развития теории лазерной техники. Строгое же обоснование существования вынужденного излучения и наличия когерентности было дано Дираком в 1930 г. Поль Адриен Морис Дирак (фр. Paul Adrien Maurice Dirac; 8 августа 1902, Бристоль — 20 октября 1984, Таллахасси) — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года (совместно с Эрвином Шредингером). Член Лондонского королевского общества (1930), а также ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1931), Национальной академии наук США (1949) и Папской академии наук (1961).

Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей теории относительности. Он является автором основополагающих трудов по квантовой механике (общая теория преобразований), квантовой электродинамике (метод вторичного квантования и многовременной формализм) и квантовой теории поля (квантование систем со связями). Предложенное им релятивистское уравнение электрона позволило естественным образом объяснить спин и ввести представление об античастицах. К другим известным результатам Дирака относятся статистическое распределение для фермионов, концепция магнитного монополя, гипотеза больших чисел, гамильтонова формулировка теории гравитации и др.

В сентябре 1926 года по предложению Фаулера Дирак прибыл в Копенгаген, чтобы провести некоторое время в Институте Нильса Бора. В Копенгагене Дирак начал заниматься вопросами теории излучения. В работе «Квантовая теория испускания и поглощения излучения» он показал ее связь со статистикой Бозе — Эйнштейна, а затем, применив процедуру квантования к самой волновой функции, пришел к методу вторичного квантования для бозонов. В этом подходе состояние ансамбля частиц задается их распределением по одночастичным состояниям, определяемым так называемыми числами заполнения, которые изменяются при действии на исходное состояние операторов рождения и уничтожения. Дирак продемонстрировал эквивалентность двух различных подходов к рассмотрению электромагнитного поля, основывающихся на представлении о световых квантах и на квантовании компонент поля. Ему также удалось получить выражения для коэффициентов Эйнштейна как функций потенциала взаимодействия и, таким образом, дать толкование спонтанного излучения. Фактически в этой работе было введено представление о новом физическом объекте — квантовом поле, а метод вторичного квантования лег в основу построения квантовой электродинамики и квантовой теории поля. Спустя год Йордан и Юджин Вигнер построили схему вторичного квантования для фермионов.

Дирак продолжал заниматься теорией излучения (а также вопросами теории дисперсии и рассеяния) в Геттингене, куда приехал в феврале 1927 года и где провел несколько следующих месяцев. Он посещал лекции Германа Вейля по теории групп, активно общался с Борном, Гейзенбергом и Робертом Оппенгеймером.

Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей (см. врезку «Квантовое усиление света»), причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор. Но для этой идеи время еще не настало.

Впервые экспериментально индуцированное излучение наблюдали Парселл и Паунд в 1950 г. при неадиабатном обращении магнитного поля, в которое был помещен кристалл 7LiF. Зеемановские уровни ядер 7Li при обращении поля Но образовывали инверсную среду и в радиодиапазоне на частоте 10 МГц наблюдалась генерация.

В .1939-1940 годах российский физик В. А. Фабрикант (1907-1991) предсказал возможность усиления света в плазме за счет вынужденного испускания. В 1951 году он совместно с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой сформулировал общий принцип усиления электромагнитного излучения. Ими было установлено, что электромагнитные волны усиливаются при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях избыточна по сравнению с их концентрацией в равновесном состоянии. Это была идея квантового усилителя.

Чтобы понять эту идею, надо подробнее рассмотреть процесс распространения электромагнитного излучения через вещество. Допустим, что электромагнитное излучение частоты со с плотностью потока энергии 1а падает на слой вещества толщиной dx. При прохождении этого слоя поток ослабляется вследствие поглощения атомами вещества. Уменьшение плотности потока энергии -dla пропорционально плотности потока падающего излучения и толщине слоя

Коэффициент пропорциональности кю называют коэффициентом поглощения. Отсюда следует, что плотность потока излучения на расстоянии х от плоскости падения изменяется по закону Бугера (P. Bougier, 1698-1758

Поглощение излучения носит резонансный характер: излучение более всего поглощается на частоте, совпадающей с частотой перехода между двумя уровнями энергии аггомов вещества. Это значит, что коэффициент поглощения имеет острый максимум на частоте перехода между уровнями энергии Е1 и Е2, причем Ег> Е{. Если концентрация частиц на этих уровях равна, соответственно, N1 и N2, то коэффициент поглощения определяется формулой

Здесь В1 и В21 — коэффициенты Эйнштейна, связанные соотношением g\Bn = g2B2l, при этом g, (или g2) кратность вырождения уровня Ех (или Е2). Величина и означает скорость распространения излучения в данной среде, g(a>) характеризует «размазанность» уровней энергии.

В обычных условиях число атомов на верхних энергетических уровнях гораздо меньше их числа на нижних уровнях, т. е. N2 « N1. Действительно, при термодинамическом равновесии отношение числа атомов на этих уровнях равно

Например, для видимого излучения (частота v = 7,5 • 1015с-') при нормальной температуре Г = 300К отношение hw/kT = 1,2-103. Следовательно, N2 « N1. Этим и объясняется известный факт, что в обычных условиях излучение, проходя через вещество, ослабляется, поскольку в этом случае коэффициент поглощения кш> 0..

Возникает вопрос: может ли излучение при прохождении через среду не ослабляться, а напротив того — усиливаться? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к формуле для коэффициента поглощения. Из нее следует, что если концентрация атомов с большей энергией N2 превышает N{ , то коэффициент поглощения к0] становится отрицательным, т. е. происходит, как говорят, отрицательное поглощение. Это и означает, что излучение не ослабляется, а усиливается. Таким образом, для того, чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо обеспечить инверсную, т. е. обращенную, населенность энергетических уровней. Под населенностью энергетических уровней понимают величину Nm / gm . Неравенство

g2 > N] I g] является основным условием индуцированного усиления. Среда, в которой осуществлена инверсная населенность энергетических уровней, называется активной средой. Важной особенностью активной среды является не только то, что она усиливает проходящее через нее электромагнитное излучение, но при этом происходит сужение спектра излучения.

Написанное основное условие является необходимым для усиления электромагнитного излучения активной средой. Однако оно вовсе недостаточно. Дело в том, что в активной среде излучение не только усиливается, но также и ослабляется. Ослабление излучения происходит, например, из-за поглощения, из-за рассеяния на неоднородностях среды, из-за выхода из ее объема и т. п. Если коэффициент усиления превосходит суммарный коэффициент потерь, то активная среда становится усилителем для проходящего через нее электромагнитного излучения. Чтобы среда стала генератором излучения, необходимо использовать положительную обратную связь. В этом случае часть усиленного излучения возвращается в активную среду и снова усиливается и т. д. Если усиление, достигаемое с помощью такой связи, превышает суммарные потери усилителя и цепи обратной связи, то усилитель самовозбуждается и превращается в генератор. Для создания положительной обратной связи в радиочастотном диапазоне используют объемные резонаторы, а в оптическом диапазоне — системы зеркал, которые называют открытыми резонаторами.

Общие принципы индуцированного усиления и генерации электромагнитного излучения осуществлены в современных квантовых устройствах, называемых мазерами и лазерами. Мазер — это квантовый усилитель волн микроволнового диапазона. Его название — MASER образовано из начальных букв фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление микроволн с помощью стимулированной эмиссии излучения. Лазер — это квантовый генератор в оптическом диапазоне. Его название — LASER также образовано из начальных букв аналогичной фразы, в которой слово Microwave заменено на слово Light — свет.

С 1949 г. в Физическом институте АН СССР под руководством академиков АН СССР А. М. Прохорова и Н. Г. Басова развернуты работы по изучению радиоспектроскопическими методами тонкой и сверхтонкой структуры молекулярных спектров. В результате совершенствования методик исследования Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в 1952 г. создали аммиачный мазер. в то же время, разрабатывая генератор миллиметрового диапазона на 24 00Э МГц для повышения точности аппаратуры по бомбометанию, Таунс предложил идею нового метода генерации — мазер. Аналогичные идеи в 1952 г. выдвинул Вебер — создание так называемой системы «вверх дном» по отношению к распределению Больцмана (опубликовано в 1953 г.). В 1954 г. Гордон, Цайгер и Таунс опубликовали сообщение о действующем молекулярном генераторе на NHV Теория этого явления впервые была разработана Н. Г. Ба- Басовым и А. М. Прохоровым. Создание лазеров отстало от мазеров на 5—6 лет. Таукс объяснял это огромным увлечением мазерами, а А. М. Прохоров — отсутствием предложений о конструкции резонатора в оптическом диапазоне и отсутствием систем и методов получения инверсии. В июне 1958 г. А. М. Прохоров в качестве резонатора предложил использовать интерферометр Фабри—Перо (открытый резонатор). Еще в 1949 г. Таунс и Шавлов для квантово-механических систем предложили использовать оптическую накачку, причем основной смысл их идеи заключался в возбуждении квантовых частиц на уровни, лежащие выше метастабильного состояния. Затем частицы по безызлучательным каналам накапливаются на соответствующем метастабильном уровне. Трехуровневая схема была реализована в 1960 г. Мейманом и исследована ловым. Тогда же Сорокин и Стивенсон предложили и еализовали четырехуровневую схему генерации на флюорите, активированном ионами урана — CaF2:U3\ Выбор используемых ионов для активных элементов осуществлялся Сорокиным и Стивенсоном на основании фундаментальных работ Л. И. Галкина и П. П. Феофилова по исследованию люминесценции трансурановых элементов.

Работа квантового генератора любого типа требует выполнения двух резонансных условий:

Классическое условие: резонанс волна-резонатор. На длине резонатора должно укладываться целое число полуволн генерируемого излучения. Если L — длина резонатора, Л — длина волны излучения, то должно быть sA / 2 = L, где s — целое число.

Квантовое условие: резонанс волна—атом. Энергия каждого фотона генерируемого излучения должна быть равна энергии перехода между двумя рабочими уровнями активной среды.

В настоящее время разработаны самые разнообразные типы лазеров. Особое значение среди них имеют лазеры с перестраиваемой частотой. Они перекрывают очень широкую область — от инфракрасного диапазона с длинами волн (2-3)- 10-3 см до вакуумного ультрафиолета с длинами волн (1-2)-10-4 см. С помощью таких лазеров существенно расширились возможности исследования свойств атомов и молекул. Они позволяют детектировать даже отдельные атомы. Настройкой частоты лазерного луча можно попасть в резонанс с частотой перехода между уровнями энергии выбранных атомов. Мощности излучения лазера в доли ватта достаточно, чтобы такие атомы поглотили квант света и спонтанно испустили фотон в произвольном направлении. Весь этот процесс для одного атома длится сотые доли микросекунды. Если атом движется с тепловой скоростью — это несколько сот метров в секунду, то он пересекает лазерный луч диаметром в 1 ои за несколько десятков микросекунд. Таким образом, за время пересечения лазерного луча атом около тысячи раз успевает поглотить и испустить фотоны. Другими словами, атом как бы светится в лазерном луче. Испущенные атомами фотоны являются характерными именно для выбранных атомов, даже если они находятся в смеси с атомами другого сорта. Эти фотоны можно собрать, направить их на фотоумножитель и затем регистрировать с помощью электронной аппаратуры. Это один из методов обнаружения одиночных атомов (рис. 5.11). Более точный и универсальный метод обнаружения атомов основан на явлении избирательной фотоионизации. В этом случае используется излучение не одного, а двух или трех лазеров. Первый лазер как бы «метит» атом. Для этого он настраивается в резонанс с возбуждением первого уровня выделяемого атома. Второй лазер необходим для фотоионизации «меченого» атома из первого возбужденного состояния. Тем самым этот атом как бы «вынимается» из газа. Если при облучении вторым лазером ионизации атома не происходит, а только достигаются его высоковозбужденные состояния, то необходим третий лазер. В результате атом превращается в ион, который легко регистрируется обычными средствами электроники. Таким образом, например, удалось обнаружить присутствие одного атома цезия в объеме, где находились 1019 атомов газа (Харст, Нейфи, Янг, 1977). Такой фантастической чувствительностью обладают современные физические приборы. Они используются в полупроводниковой электронике и других областях современной техники, где требуется точная оценка примесей, присутствующих в веществе; при контроле состояния окружающей среды и т. д. Особо важным этот метод является в ядерной физике, где в ходе ядерных реакций на ускорителях или других условиях исследуется малое число образовавшихся новых атомов. Созданный с помощью лазера атомный «наноскоп» позволяет изучать отдельные атомы (A. Steane, Nature, 414, p. 24, 2001). Таким образом, теперь оказывается возможным непосредственно видеть то, что в течение двух с половиной тысячелетий считалось принципиально недоступным не только для наблюдения, но и познания! Помимо упомянутых лазерных методов детектирования атомов существуют также методы исследования атомных структур с использованием таких установок, как электронный микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп и т. п. Как пример, на рисунке показан снимок атомов золота, сделанный с помощью электронного микроскопа.

СО2. В 1961 г. Хелвертс впервые предложил метод модуляции добротности, который позволил значительно поднять мощность излучения благодаря сокращению дли-

длительности импульса до 10~8... 10~9 с.

Таким образом, развитие квантовой электроники шло от радиодиапазона к диапазону оптическому. Это закономерно и обусловлено рядом обстоятельств. В области радиоспектроскопии интенсивно велись работы над созданием мощных высокостабильных когерентных генераторов, в то время как в оптике вообще не интересовались проблемой стабильности, а о создании квантовых генераторов оптического диапазона даже не помышляли. В оптике в отличие от радиоспектроскопии пользовались только источниками спонтанного излучения. Свойства активных тел и резонаторов оказывают решающее влияние на характеристики излучения. Этот аспект квантовой электроники широко и многосторонне изучался, в частности, учеными Украины, где исследования начаты были в 1961 г. Созданный в 1963 г. В. Л. Броуде, М. С. Соскиным и Н. Ф. Прокопюком дисперсионный резонатор положил начало новому направлению в квантовой электронике — перестраиваемым лазерам, на базе которых под руководством М. С. Соскина были проведены фундаментальные исследования физических особенностей генерации в конденсированных средах. На базе перестраи- перестраиваемого лазера в 1967 г. В. И. Кравченко и М. С. Соскин создали новый класс перестраиваемых лазеров — свип- лазеры, на основе которых получил развитие метод скоростной бесщелевой спектроскопии высокого разрешения и был создан комплекс уникальных лазерных спектрометров. Большой комплекс исследований был выполнен под руководством акад. АН УССР М. С. Бродина по созданию A966 г.) и исследованию полупроводниковых лазеров при двухфотонной лазерной накачке. Многогранные исследования по изучению режима работы лазера с модуляцией добротности были выполнены под руководством акад. АН УССР М. П. Лисицы. Создание лазеров на широком классе органических красителей и исследование особенностей их генерации было выполнено под руководством акад. АН УССР А. Я. Усикова в Институте радиоэлектроники АН УССР и чл.-кор. М. Т. Шпака в Институте физики АН УССР. Работы украинских физиков по разработке физических основ управления частотой вынужденного излучения и созданию перестраиваемых лазеров были отмечены Государственной премией УССР в области науки и техники за

1974 г. Благодаря многолетним фундаментальным исследованиям в области квантовой электроники в СССР (А. М. Про- Прохоров, Н. Г. Басов) и в США (Таунс, Шавлов) в начале 60-х годов были созданы первые квантовые генераторы миллиметрового, ИК (мазеры) и оптического (лазеры) диапазонов. Годом рождения квантовой электроники, по видимому, следует считать 1954 г., когда впервые была получена генерация в сантиметровом диапазоне. За разработку нового принципа генерации и усиления электромагнитных волн на основе молекулярных генераторов в 1959 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия. В 1964 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике за фундаментальные исследования в области квантовой электроники. В этом же году за создание и исследование полупроводниковых лазеров была присуждена Ленинская премия сотрудникам Физического института АН СССР Б. М. Вулу, О. Н. Крохину, Ю. М. Попову, А. П. Шотову,

Д. Н. Наследову, С. М. Рывкину, А. А. Рогачеву, Б. В. Царенкову. Перспективы развития квантовой электроники обусловили лавинообразное нарастание информации по изучению и реализации свойств квантовых генераторов: только в 1956 г. было опубликовано более 2000 статей о квантовых генераторах оптического диапазона, а в течение десяти- десятилетия (I960.... 1969) в этой области были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования

В 1969 г. в лабораторных условиях в Физическом институте АН СССР на смеси СО2 — N2— He получена мощность излучения в непрерывном режиме 8 кВт (длина лазера 185 м, длина волны генерации 10,6 мкм). (Отметим, что лазер наСО2 мощностью 150... 200 Вт в непрерывном режиме прожигает в кирпиче отверстие за несколько минут). Одной из специфических черт таких лазеров является чрезвычайно высокий к.п.д., который может быть доведен до 40 %. Это обусловлено высокой эффективностью возбуждения молекул азота, наличием резонансной передачи энергии от возбужденных молекул азота молекуламуглекислого газа, обладающим большим временем жизни (порядка 0,01 с) метастабильного уровня 00°1. Срок службы газовых трубок промышленных моделейдоведен в США до 500...2000 ч для Не—Ne-лазеров, 500... 1000 ч — для ионных, 100...2000 ч — для молекулярных лазеров. В 1972 г. был продемонстрирован лазер на кристаллах игтриевоалюминиевого граната (ИАГ: Nd3+), генерирующий в непрерывном режиме мощность 1,5 Вт при солнечной накачке. Рекордное значение к.п.д.— 30 % для твердотельного лазера было получено в 1966 г. на ИАГ: Но3+ при 77 К. Для наглядности сопоставим мощность излучения лазера с оптическими параметрами Солнца. В видимом диапазоне поверхность Солнца излучает энергию почти как абсолютно черное тело с температурой 6000 °С. Мощность излучения Солнца во всем диапазоне длин волн около 7 кВт с 1 см2 поверхности. На первый взгляд кажется, что мощность 7 кВт с 1 см2— это много, а в действительности это далеко не так,поскольку солнечное излучение охватывает колоссальный диапазон длин волн. Например, в полосе, равной 1 кГц на длине волны X = 488 нм (одна из длин волн, генерируемая Аг- лазером), мощность излучения 10~5 Вт, т. е. чтобы полуполучить мощность в 1 Вт, нужно собрать излучение с 10 м2 солнечной поверхности. В то же время с помощью аргоно- аргонового лазера на этой же длине волны сегодня получают мощность порядка 0,5 — 1 кВт с аналогичной полушириной и расходимостью луча меньше 1°. Таким образом, выходная мощность серийных газовых лазеров на 1 кГц ширины полосы излучения примерно в 108 раз больше мощности, излучаемой 1 см2 солнечной поверхности. С помощью полупроводниковых лазеров получена рекордная безынерционность системы. Так, на лазерном дноде из арсенида галлия (GaAs) достигнуто время перепереключения 100, что позволило создать генераторы световых импульсов с частотой 1010 Гц A0 ГГц) и длительностью 10~10 с. Затраты энергии, необходимой для передачи двоичного кода информации на лазерах, составляют порядка 10^16 вT> в то Время как в микроволновом диапазоне и некогерентной системе требуется порядка 10~7... 10~8 Вт. Одной из самых уникальных особенностей газовых лазерных приборов является их стабильность по частоте, на чем и основаны современные стандарты частоты. На основе лазеров удалось снизить погрешность измерений скорости света со 100 до 0,5 м/с, что позволило создать единый стандарт для измерения времени и длины. Благодаря стандартам частоты микроволновых колебаний, человечество впервые осуществило, независимо от астрономических наблюдений, прецизионное измерение времени, основанное на молекулярных константах. Стали возможны измерения интервалов времени с точностью до двенадцатого знака, что соответствует измерению отрезка времени, например, в 100 тыс. лет A05 лет) с точностью до долей секунды. Первые квантовые часы были созданы в 1957 г. на базе аммиачного лазера. В настоящее время на основе линии сверхтонкой структуры цезия-133 (F = 4->-F = 3) 9192, 631830 МГц с по- полушириной 200 Гц создан атомный хронометр (атомхрон), у которого стабильность частоты 10"п, т. е. отклонение от нормального хода часов порядка 0,1 с за 300 лет. Еще более точные атомхронометры созданы на атомарном водороде. Лучший стандарт частоты микроволнового диапазона — водородный мазер, генерирующий на частоте (F = 1-+- F =0) 1,4 ГГц. Точность измерения отрезков времени ограничена соотношением неопределенностей Av A/ ^ 1. В оптическом диапазоне, где частоты 1О14...1О15 с, можно повысить точность измерения отрезков времени до 13-го знака. Это связано с тем, что можно определять резонанс с точностью до 10 ~5—10~4 от ширины линии в микроволновом диапазоне (Av/v^ 10~8....10~9), а в оптическом это удается делать на два-три порядка выше, т. е. Av/v ^ 10~10... ...ю-13. Атомные хронометры незаменимы в космической навигации. С помощью атомного хронометра была обнаружена слабая неравномерность вращения Земли (в конце октября вращение замедляется на 0,53 с, а в конце мая ускоряется на 0,065 с). Последние годы отмечены колоссальными достижениями в области лазерных технологий (М. Perry, G Mourou, Science, 264, р. 917-924 (шау 13, 1994)). В лаборатории Лоурекса в Ливерморе (США) был создан лазер с рекордной пиковой мощностью 1015 Вт. Сверхмощные лазеры создаются также и в других лабораториях. При фокусировке излучения достигаются плотности потока энергии от 1018 до 1023 Вт/см2 . Энергия такого излучения сосредоточена в очень коротких импульсах длительностью около нескольких

пико- (10⁻¹²); фемто- (10⁻¹⁵); и даже атто- (10⁻¹⁸) секунд Ожидается, что будут вскоре достигнуты фантастические интенсивности на уровне 1026 -1028 Вт/см 2 (G А. Mourou, С. P. J. Barty, М. D. Perry, Phys. Today, 51 (1), p. 22, 1998; Я. Kapteyn, M. Murnane, Phys. World, 12(1), p. 33, 1999). При этом создаются лазеры не только в оптическом диапазоне, но также в рентгеновском — разеры и гамма-диапазоне — гразеры.

При огромной мощности лазерного излучения может происходить рождение пары электрон-позитрон. Оценку необходимой для этого мощности можно провести по Швингеру (J. Schwinger, Phys. Rev. 82, p. 664, 1951). Рождающиеся частицы должны иметь энергию порядка т0с2 в течение их времени жизни порядка г « Й / т0с2. Соответствующая характерная длина ст представляет собой комптоновскую длину Хс = Ы ш0с . На этой длине поле излучения должно сообщить частицам необходимую энергию. Таким образом, швингеровское поле Es = m0c2 /еХс имеет порядок Es х 2-Ю16В/сл{. Этому полю отвечает интенсивность около /Л. =

= 1030 Вт/см 2 . При интенсивностях излучения, намного меньших указанного значения, вероятность рождения пары может считаться малой.

Расчеты показывают, что в поле мощного лазерного излучения возможно ускорение заряженных частиц до колоссальных энергий порядка Тера эВ и Пета эВ. Так что, возможно, в недалеком будущем в ядерной физике вместо дорогостоящих традиционных ускорителей заряженных частиц, имеющих огромные размеры — это целые фабрики, будут использоваться компактные мобильные лазерные ускорители., с помощью которых можно будет осуществлять ядерные реакции. Уже сейчас имеются эксперименты, которые демонстрируют расщепление ядер атомов в поле мощного лазера, включая деление урана (R. W. D. Ledingham et al. Phys. Rev Lett. 84, p. 899, 2000; Т. E. Cowan et al. Phys. Rev Lett. 84, p. 903, 2000). Мощные лазеры предполагают использовать и для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. В этом направлении существует даже специальная программа — лазерный синтез (О. Н. Крохин, УФН, 172(12), с. 1466, 2002). Недавние успешные эксперименты (S. Fritzler et al. Phys. Rev. Lett. 89, p. 165004, 2002) вселяют надежду, что эта программ вполне может быть реализована.

Квантовые генераторы электромагнитного излучения создаются учеными в физических лабораториях. Однако оказалось, что мазеры существуют и в природе, в частности, в межзвездном пространстве. Существование мазеров в межзвездном пространстве связано с тем, что в этом пространстве имеются атомы и даже сложные молекулы. Первая межзвездная молекула была открыта в 1937 году. Это был свободный химический радикал СН. Однако самым распространенным является водород. Это было доказано в 1951 году, когда было зарегистрировано излучение с длиной волны 21 см, соответствующее переходу между двумя очень близкими состояниями атома водорода. В 1963 году

продолжение следует...

Продолжение:

Часть 1 Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 2 - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 3 - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной техники
Часть 4 Разработка проблем волоконной оптики - Лазеры, виды, теория ,Принципы лазерной