Спонтанное и вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы

Изучая свечение фосфора, гнилых деревьев, светлячков, В. В. Петров доказал, что оно обусловлено горением, окислением этих тел или составных его частей. При этом энергия химической реакции окисления частично превращается в световую - хемилюминисценция.

В электрическом разряде энергия, накопленная ионами и электронами, движущимися в электрическом поле, при их соударениях может излучаться в виде света - электролюминесценция.

При фотолюминесценции энергия поглощенного телом света затем вновь испускается в виде света обычно большей длины волны. Если свечение прекращается почти одновременно с прекращением свечения, то это - флуоресценция. Для других веществ (преимущественно твердых тел) имеет место затухающее послесвечение (минуты, часы) –фосфоресценция. При фотолюминесценции энергия поглощенного фотона может частично растрачиваться на различные внутримолекулярные процессы и отдаваться соседним молекулам. Поэтому энергия испускаемого фотона hn может оказаться меньше, чем hn₀, на величину A, оставшуюся в веществе, т.е.: . Обычно A>0, т.е. , и - правило Стокса. С повышением температуры могут наблюдаться антистоксовы случаи ( ), как и в явлении комбинационного рассеяния. Поскольку не все поглощенные телом фотоны "высвечиваются" обратно, то отношение излучаемой энергии к поглощенной люминесцирующим веществом, называется выходом (h) люминесценции. С.И.Вавилов установил, что выход люминесценции сначала растет пропорционально длине волны возбуждающего света, в некотором интервале выход остается постоянным, а затем быстро падает, как показано на рис.60. Это – закон Вавилова.

В обычных условиях относительное число возбужденных атомов тем меньше, чем больше необходимая энергия возбуждения, и оно всегда мало по сравнению с числом атомов, находящихся в невозбужденном состоянии (N ₂ << N ₁), так что этот эффект незаметен. Однако у ряда веществ время пребывания электронов в атомах на некоторых энергетических уровнях относительно велико (до 10^-3 сек вместо 10^-9 сек). Пусть E₁, как показано на рис.62, соответствует энергии невозбужденного состояния атома. Пусть, кроме того, имеется много уровней с энергиями Е>>Е₂ (нормальное время пребывания t₁) и уровень Е₂ (увеличенное время пребывания t₂) .Воздействуем на вещество когерентным излучением с энергией E >E₃; в результате поглощения фотонов многие атомы перейдут в состояние с E₃ , а оттуда частично в состояние с E₂ и частично вернутся в невозбужденное состояние. Т.к. t ₂ относительно велико, то здесь может накопиться значительное число атомов. При достаточной интенсивности некогерентного воздействующего излучения (накачки) в состоянии 2 может оказаться достаточно много атомов. Если их будет больше, чем в состоянии 1, т.е. осуществится так называемая инверсная заселенность, или число переходов из состояния 2 в состоянии 1 будет превышать число переходов 1-2 (накачка таких переходов не вызывает, так как не содержит соответствующих им фотонов), то излучение энергии с частотой: будет преобладать над соответствующим поглощением (отрицательное поглощение).

При выполнении этих условий, т.е. после искусственного заселения уровня 2, под влиянием фотонов с этой частотой (переменного электромагнитного поля) может возникнуть вынужденное излучение, и большое число атомов быстро отдает свою энергию в виде когерентного излучения той же частоты.

Излучение может быть импульсным, если заселение уровня 2 производить через определенные промежутки времени, или же непрерывным, если это заселение производить постоянно.

Созданные на этом принципе когерентные источники света - лазеры - появились сравнительно недавно. Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated emission of Radiation,что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного (индуцированного) испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Активную среду с инверсной заселенностью энергетических уровней атомов при этом помещают между двумя строго параллельными зеркалами, рис.63 - это так называемый резонатор. Одно из этих зеркал отражает свет полностью (S₁), второе (S₂) - полупрозрачное. Рожденные в усиливающей среде фотоны, летящие почти перпендикулярно поверхности зеркал, испытывают между ними многократное отражение и тем самым создается усиление эффекта вынужденного излучения. Поэтому из полупрозрачного зеркала выходит очень узкий, почти параллельный пучок когерентного, линейно-поляризованного света.Угол раствора выходящего пучка очень мал – 2-3 угловых секунды.

Интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В августе и сентябре 1960 года в двух английских журналах появились его сообщения о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне волн. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (размером 1х1х1 см), две противоположные грани которого имели серебреное покрытие (они играли роль зеркал резонатора), периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одном из посеребренных граней кубика.

В том же 1960 году американским физикам А. Джавану, В. Беннету и Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в газовом разряде (рабочим веществом служила смесь гелия и неона). Начиная с 1961 года лазеры различных типов (твердотельные и газовые) прочно «поселяются» в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 годах в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.

С появлением лазеров удалось, наконец, осуществить голографическую запись теоретически предложенную в 1948 году французским физиком Габором. Стремительно начинает развиваться новое направление в оптике – нелинейная оптика. В 1961 году американский физик П. Франкен наблюдал в кристалле кварца генерацию второй гармоники излучения рубинового лазера. Проанализировав результаты опыта П. Франкена, советские физики С.А. Ахманови Р.В. Хохлов установили в 1962 году условия, при которых различные нелинейно-оптические явления (и в частности генерация оптических гармоник) должны протекать более эффективно; они же выдвинули идею параметрической генерации света. В период с 1961 по 1963 год были выполнены фундаментальные теоретические работы по нелинейной оптике группой советских ученых, возглавляемой Р.В. Хохловым, а также группой американских ученых, возглавляемой Н. Бломбергеном. В 1965 году вышла в свет фундаментальная монография С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова «Проблемы нелинейной оптики».

К 1965 году нелинейная оптика сформировалась как развитое, самостоятельное направление современной оптики. К этому времени появились достаточно эффективные генераторы оптических гармоник и перестраиваемые параметрические генераторы света.

И лазерная техника, и оптическая голография, и нелинейная оптика находятся сейчас в стадии интенсивного развития. С полным основанием можно гордится тем, что среди основателей этих научно-технических направлений видное место занимают отечественные ученые: Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, В.А. Фабрикант, С.И. Вавилов, Р.В. Хохлов, С.А. Ахманов, Ю.Н. Денисюк, Г. Аскарьян, Б.М. Вул и многие другие. Выражением международного признания вклада советских ученых в создание и развитие квантовой электроники явилось присуждение в 1964 году Нобелевской премии академикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову.