книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров
.pdf*
Удивительный
м и р
Л А З Е Р О В
В. П. Г р и б к о в с к и й , Ю. И. Н е к а л и н с к а я
'•Т »ГвТ *Г#ГЛ Г#101С 1
^ О л О л О а 1
♦ • • • • • • •
•••••••*%•
« • Я 1-
д и в и т е я ь н ы й^*:;
мир
лазеров
И з д а т е л ь с т в о „Н а у л а и т е х н и к а “ М и н с к 1 9 6 8
Г 82 |
|
УДК 621-378-31 |
|
6Ф2. |
13 |
||
|
Д О
Об истории возникновения новых оптиче ск и х приборов — лазеров, о секретах их ра боты и многочисленных применениях этих замечательных устройств узнает читатель из настоящей брошюры. Ее авторы, кандидаты физико-математических наук старшие науч ные сотрудники ордена Трудового Красного Знамени Института физики Академии наук БССР В. П. Грибковский и Ю. И. Чекалинская, работающие в области квантовой элек троники, в занимательной форме рассказы вают об устройстве твердотельных, газовых и полупроводниковых квантовых генерато ров света. Брошюра не только знакомит чи тателя с использованием новейших лазер ных систем для наземной и космической связи, сварки металлов, для различных на учных исследований, но и открывает завесу над удивительным миром лазеров завтраш
него дня.
Рассчитана на широкий круг читателей.
Редактор академик Академии наук БССР Б. И. СТЕПАНОВ
2-3-2
113 68
В в е д е н и е
Двадцатый век — век невиданно бурного развития науки и техники. Многое из того, что совсем недавно казалось несбыточной фантазией, на наших глазах становится дей ствительностью. Расщепляющийся атом, в течение веков считавшийся неделимым, поставлен на службу человеку. Прекрасные идеи «мечта теля из Калуги» К. Э. Циолковского воплощены в чуде техники — косми ческих кораблях. Человек вышел в космос, и можно с уверенностью сказать, что недалеко то время, когда «на пыльных тропинках дале ких планет останутся наши следы». Создаваемые в последние годы электронные вычислительные маши ны открывают казавшуюся неве роятной возможность автоматиза ции умственного труда.
В 1960 г. произошло еще одно превращение фантазии в действи тельность—был создан первый опти ческий квантовый генератор. Сверх мощные лучи, о которых мечтали ученые, стали реальностью.
3
Оптические квантовые генераторы, или, как их часто называют, лазеры,1— совершенно но вые необычные источники света, резко отличаю щиеся от всех известных до сих пор. Они не похожи на громоздкие прожекторы, а дают значительно более направленное излучение. Такую высокую направленность излучения, как у лазеров, в сочетании с большой мощ ностью нельзя получить от обычных источни ков никакими, даже самыми совершенными зеркалами или другими оптическими система ми. Квантовые генераторы не раскалены до температуры солнца, хотя от них можно по лучить в миллиард раз более высокую плот ность излучения. Они совершенно холодны. Более того, с понижением температуры яр кость их свечения увеличивается.
Изучением принципов работы оптических квантовых генераторов, созданием и практи ческим применением их занимается одна из самых молодых наук — квантовая электрони ка. Она возникла на стыке трех наук: оптики, радиофизики и квантовой механики. Несмотря на молодость, квантовая электроника заняла почетное место среди других наук и продолжа ет оказывать все возрастающее влияние на развитие многих областей знания.
В этой книге рассказывается о возникнове нии оптических квантовых генераторов, о се кретах их работы и применениях в различных областях науки и техники.
1 Слово «лазер» получено от сокращения английской фразы Light amplification by stimulated emission of ra diation, что означает «усиление света при помощи вы нужденного испускания».
О т р ади остан ц и и к л а зе р у
Атом — микроскопическая радио станция. В истории науки не раз случалось, что развитие одной об ласти знания вызывало бурный про гресс в другой области. Так было и с оптическими квантовыми генера торами. Все началось со стремления радиофизиков получить более ко роткие радиоволны. Ведь чем короче радиоволна, тем большее количе ство информации можно одновре менно передавать. Передача телеви зионного изображения вообще не возможна на длинных и средних волнах. Короткие радиоволны позво ляют сравнительно легко создать высокую направленность излучения и обеспечить устойчивость к внеш ним помехам.
Одним из серьезных препятст вий, возникающих при переходе ко все более коротким волнам, явилась необходимость уменьшать размеры генератора. Радиотехника дошла, наконец, до такого предела, когда дальнейшее уменьшение длины вол ны стало вообще неосуществимо из-
за практической невозможности построить ге нератор микроскопических размеров. В поисках выхода из создавшегося тупика радиотехники вспомнили о генераторах электромагнитных волн, созданных природой,— вспомнили об атомах и молекулах.
Давно установлено, что видимый свет ис пускается атомами и молекулами. Но свет и радиоволны имеют, как известно, одну и ту же природу. Это — электромагнитные волны, и различаются они только по длине. Световые волны характеризуются очень малой длиной— от 0,4 до 0,8 мкм. Поэтому каждый атом или молекула, излучающие свет, могут рассмат риваться как миниатюрная радиостанция.
Природа, таким образом, предоставила че ловеку генераторы в готовом виде, но поста вила перед ним трудную задачу: научиться управлять излучением каждого атома в от дельности и группой атомов в целом. Основ ное затруднение сводилось к тому, что излуче ние одного атома ничтожно мало и не пред ставляет практической ценности, а излучение большого количества их обычно происходит неупорядоченно, неуправляемо, хаотично.
Если сравнить радиоволны с кругами, распространяющимися на воде при падении камня, то свет — это беспорядочное возмуще ние водной поверхности, на которую бросили горсть песка. Такое беспорядочное неуправ ляемое излучение для радиотехники бесполез но. Чтобы использовать излучение атомов, не обходимо было научиться управлять ими — подчинить работу всего их несметного коли чества воле человека. Достижение этой цели
6
привело к созданию кван товых генераторов вна чале микроволнового (ма зеров), а затем и видимо го (лазеров) диапазонов.
С уровня на уровень.
Рассмотрим прежде всего физические процессы, ле жащие в основе работы оптических квантовых ге нераторов. В лазерах, как и в обычных источниках излучения от маленькой лампочки до солнца, свет испускается мельчайши ми частицами вещества— атомами, ионами и моле кулами. К этим частицам неприменимы законы нью тоновской, так называе мой классической меха ники. В отличие от обыч ных тел (автомобиля, мя ча, ракеты), энергия ко торых может увеличи ваться или уменьшаться непрерывно, энергия мик рочастиц принимает толь ко определенный, пре-
Плотность излучения лазеров в миллиарды раз больше, чем на поверхности солнца
рывный, или, кик говорят, дискретный ряд значений. Как в многоэтажном доме люди жи
вут только на определенных этажах |
(на опре |
|
деленных уровнях от земли), так |
и части |
|
цы |
могут быть только па своих |
«этажах», |
на |
определенных энергетических |
уровнях. |
В существовании таких разрешенных уровней
нзапрещенных зон для энергии микрочастиц проявляются законы квантовой механики, опи сывающие эти частицы.
Каждому уровню соответствует свое значе
ние энергии. Чем выше уровень, тем больше энергия. Опять похоже на земные условия — чем выше этаж, тем больше потенциальная энергия.
Энергия частиц может изменяться только скачком, при этом сами частицы переходят с одной энергетической ступеньки на другую, с одного энергетического уровня на другой. Опускаясь с верхних уровней на нижние, частицы отдают энергию, в частности испуска ют свет, а поднимаясь на верхние уровни, по глощают ее.
Обычно частицы находятся на самом низ ком уровне, в так называемом основном, не возбужденном состоянии. На этом уровне частицы могут только поглощать излучение, но не испускать его. Чтобы частица начала излучать, ее необходимо перевести в возбу жденное состояние на один из верхних энерге тических уровней. Для этого ей надо сообщить дополнительную энергию, равную энергии возбужденного уровня, что может быть достиг нуто при поглощении частицами внешнего из лучения, при соударении с другими частицами,
8
за счет энергии химиче ских реакций, при прохо ждении тока и т. и.
Возбужденные состоя ния, как правило, неустой чивы, и частицы через короткое время (доли се кунды) переходят на бо лее низкие уровни вплоть до основного состояния. Возвращаясь на ниж ний уровень, частица те ряет энергию, которая мо жет либо переходить в теп ло, либо испускаться в виде кванта света опре деленной частоты, или, как часто говорят, фо тона. Процесс испускания происходит обычно само произвольно, спонтанно, без всяких внешних воз действий. Этот вид ис пускания лежит в основе работы обычных источни ков света, излучение ко торых беспорядочно, а испускание отдельных ча стиц происходит несогла сованно между собой.
Чем выше энергетический уро вень, тем больше энергия чи стины
9