3.2. Физические основы генерации лазерного излучения

Создание лазеров совершило революцию в науке и технике. За два десятилетия после их возникновения cформировались новые фундаментальные и прикладные направления физической оптики – оптическая квантовая электроника и нелинейная оптика. В настоящее время невозможно представить ни современные фундаментальные исследования, ни решение технических и технологических задач без использования лазеров.

Лазеры – это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне, действие которых основано на индуцированном (вызванном полем световой волны) излучении квантовых систем – атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, существенно отличных от термодинамического равновесия. Лазеры называют еще оптическими квантовыми генераторами, поскольку поведение участвующих в их работе частиц описывается законами квантовой механики.

Принципиальной отличительной характеристикой лазеров является высокая когерентность излучения. Слово «когерентность» (cohaerentio) в переводе с латинского означает сцепление, связь. Ввел это понятие Т. Юнг в 1801 г., подразумевая связь между двумя лучами, полученными от одного источника спонтанного излучения. Однако под когерентностью индуцированного излучения следует понимать полную его корреляцию с вынуждающим (затравочным) излучением (в следующей лекции мы более детально обсудим понятие когерентности).

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает: усиление света посредством вынужденного излучения. Таким образом, в самом термине лазер отражена фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света.

Принцип работы лазера, или оптического квантового генератора (ОКГ), основан на трех фундаментальных идеях, родившихся в разное время в различных областях физики.

Первая идея связана с использованием вынужденного испускания света атомными системами, открытого Эйнштейном в 1917 г. при теоретическом изучении некогерентного теплового излучения (при выводе формулы Планка с учетом постулатов Бора). При этом постулировалось, что интенсивность индуцированного излучения пропорциональна плотности излучения, падающего на квантовую систему, а характеристики вынужденного излучения квантовой системы (частота, поляризация, направление распространения) тождественны характеристикам вынуждающего излучения. Т.е.испускаемые при индуцированном излучении фотоны неотличимы от тех, что вызвали испускание.

Вторая идея заключается в применении термодинамически неравновесных систем, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Она была высказана советским физиком В. А. Фабрикантом в 1940 г. , и указывала на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через среду с инверсной заселенностью уровней .

Третья идея, берущая начало в радиофизике, состоит в использовании положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения.