Излучение лазера — это особый вид электромагнитных волн, в котором все фотоны колеблются согласованно и с постоянной фазой. Это явление называется когерентностью. Уникальным свойством лазерного излучения является огромное количество фотонов, колеблющихся с одинаковой частотой и фазой, что приводит к формированию узкого пучка света, обладающего большой интенсивностью.
Основой работы лазера является явление стимулированного излучения. Этот процесс происходит в активной среде лазера, состоящей из двух уровней энергии. Возбужденные атомы на верхнем уровне энергии возвращаются на нижний уровень, испуская фотон. При этом происходит принимающий процесс, при котором фотон активирует эмиссию дополнительных фотонов, похожих по энергии, фазе и направлению.
Когерентность излучения лазера достигается благодаря его пассивным и активным элементам. Пассивные элементы, такие как зеркала и решетки, отражают и фокусируют свет. Активные элементы, такие как рабочая среда или полупроводниковый кристалл, создают условия для стимулированной эмиссии, в которой происходит усиление фотонов.
Принцип работы лазера: генерация и усиление света
Принцип работы лазера основан на явлении стимулированного излучения, которое позволяет получать монохроматическое и когерентное излучение.
Процесс генерации света в лазере начинается с создания инверсной заселенности энергетических уровней в активной среде. Это достигается путем накачки активной среды, которая может быть представлена газом, твердым телом или полупроводником. Накачка может осуществляться электрическим током, оптическими излучениями или химическими реакциями.
После накачки часть энергетических уровней становится заселенной большим количеством атомов. Такая несбалансированность создает условия для генерации излучения. Но для стимулированного излучения особенно важно наличие квантовой системы, в которой энергия атома, поглощая фотон заданной энергии, равна энергии фотона.
Ключевым моментом в работе лазера является стимулированное излучение. Когда фотон с энергией, соответствующей разности энергетических уровней, проходит через активную среду, он «встречается» с возбужденным атомом, который поступает в нижний энергетический уровень и выбрасывает второй фотон того же направления, фазы и частоты.
В результате стимулированного излучения фотоны усиливаются и начинают двигаться в одной фазе и направлении, проходя между двумя зеркалами лазера. Одно из зеркал полупрозрачное, что позволяет выходить части излучения в виде лазерного луча. Таким образом, генерируется узконаправленное, интенсивное и когерентное излучение света.
Квантовые процессы возбуждения активной среды
Квантовые процессы играют ключевую роль в возбуждении активной среды и создании условий для лазерной генерации. Основой для этих процессов служит взаимодействие между атомами или молекулами активной среды и внешним источником энергии.
При воздействии внешней энергии на атомы или молекулы активной среды происходит их возбуждение. Энергия передается атомам или молекулам в форме квантов, или дискретных порций энергии. Квантовые процессы возбуждения позволяют перевести атомы или молекулы из низших энергетических уровней в высшие.
В состоянии возбуждения атомы или молекулы активной среды находятся в неустойчивом состоянии и спонтанно возвращаются в основное энергетическое состояние. При этом часть энергии излучается в виде фотонов, создавая электромагнитное излучение. Этот процесс называется спонтанным излучением.
Однако в лазерных системах квантовые процессы возбуждения активной среды происходят с использованием стимулированного излучения. Это происходит благодаря взаимодействию фотонов излучаемого света с атомами или молекулами, находящимися в возбужденном состоянии. В результате этого взаимодействия атомы или молекулы переходят в основное состояние, при этом излучается дополнительный фотон, который сохраняет все свойства стимулирующего фотона.
Таким образом, стимулированное излучение приводит к усилению излучения и образованию когерентного пучка фотонов. Квантовые процессы возбуждения активной среды играют важную роль в формировании когерентности излучения лазера и определяют его основные характеристики, такие как частота излучения, мощность и направленность пучка.
Обратный заселенности энергетических уровней
Однако в лазере происходит обратный процесс — энергетические уровни атомов или молекул системы заселяются таким образом, что большинство частиц находятся на более высоких уровнях энергии, а меньшая часть — на низших. Это состояние называется обратным заселением энергетических уровней.
Обратное заселение возникает благодаря взаимодействию активной среды лазера с внешним источником энергии, который подает энергию на более высокие энергетические уровни. Этот процесс называется накачкой. В результате накачки, частицы активной среды переходят на более высокие уровни энергии, и создается избыток энергии в системе.
Избыток энергии стимулирует эмиссию излучения — частицы на более высоких уровнях энергии переходят на низшие уровни, испуская один фотон при этом переходе. Этот процесс называется спонтанной эмиссией. Спонтанная эмиссия приводит к усилению излучения на низших уровнях энергии и созданию когерентного излучения.
Таким образом, обратный заселение энергетических уровней позволяет создать когерентное излучение лазера. Когерентность излучения достигается благодаря множественным стимулированиям эмиссии — фотоны, испущенные при переходе частиц на низшие уровни энергии, способствуют индуцированному излучению частиц находящихся на более высоких уровнях энергии.
Взаимодействие сферических волн в резонаторе
Резонатор представляет собой закрытую полость, в которой размещены два зеркала: выходное и внутреннее. Внутри резонатора происходит отражение и усиление световых волн, что позволяет им накапливаться и усиливаться до получения высокой интенсивности.
Когерентность излучения обеспечивается взаимодействием сферических волн, которые отражаются от зеркал и сталкиваются друг с другом в резонаторе. Зеркала выбираются таким образом, чтобы они пропускали только определенные моды колебаний и отражали остальные. Это позволяет формировать когерентную световую волну с определенной длиной и частотой.
Взаимодействие сферических волн происходит в результате интерференции. Когда две волны с почти одинаковой частотой сталкиваются в резонаторе, они образуют стоячую волну с максимальной амплитудой. Это позволяет усиливать выбранную моду колебаний и подавлять все остальные. Таким образом, резонатор действует как фильтр, отбирая только желаемую моду колебаний и подавляя остальные.
Такое взаимодействие сферических волн в резонаторе обеспечивает когерентность и направленность излучения лазера. Благодаря точному подбору параметров резонатора, лазер создает монохроматический, когерентный и узконаправленный луч света.
Когерентность и интерференция световых волн
Когерентность излучения лазера играет ключевую роль в возникновении интерференционных эффектов, которые наблюдаются при взаимодействии световых волн. Когерентность определяет степень согласованности фазы и амплитуды световых колебаний.
В условиях когерентности световые волны могут интерферировать друг с другом. Интерференция возникает, когда две или более световые волны наложены одна на другую. Результатом интерференции является усиление или ослабление интенсивности света.
Интерференционные эффекты основаны на принципе суперпозиции волн. При наложении двух когерентных световых волн происходит сложение их амплитуд и фаз. Если фазы волн совпадают, то происходит конструктивная интерференция, и интенсивность света усиливается. Если фазы волн отличаются на половину периода, то происходит деструктивная интерференция, и интенсивность света ослабляется.
Для наблюдения интерференционных эффектов требуется достаточно высокая степень когерентности световых волн. Излучение лазера обладает высокой когерентностью, так как все излучаемые фотоны имеют одинаковую фазу и амплитуду. Это позволяет наблюдать ярко выраженные интерференционные полосы, например, при прохождении света через две щели или при отражении от тонкой пленки.
| Конструктивная интерференция | Деструктивная интерференция |
|---|---|
| При совпадении фаз происходит усиление интенсивности света. | При разности фаз волны ослабляются друг другом. |
 |  |