Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Лазерная установка, когда речь идет о создании больших мощностей, — сложное инженерное сооружение. В колонке создается первоначальный импульс, затем он может быть подан на усилители, которые работают на том же принципе, что и первоначальная колонка, но накачиваются независимо от первичной колонки. Мы не будем останавливаться на этих деталях. Нас интересуют физические принципы накачки и создания лазерного излучения. А они могут существенно различаться, как это показывают рис. 1.6–1.8 со схемами действия лазеров, с помощью которых сегодня получают лучи максимальной мощности.

На рис. 1.6 показана схема так называемого неодимового лазера. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производится лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний.

Совершенно условно она изображена пятью черточками. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень (на этой и на других двух схемах он помечен цифрой 2

). Каждый переход дает разную энергию, которая» превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т. е. переход на пустой нижний уровень, помеченный цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм.

Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень «не работает». Энергия выделяется в виде некогерентного излучения.

Неодимовый лазер позволяет получить фантастическую мощность, равную 10¹² Вт. Энергия выдается импульсами, которые длятся 0,1 нс.

Молодым конкурентом, стал лазер, использующий переходы в возбужденных атомах иода (рис. 1.7).

Рабочим веществом является газ C₃F₇I. И здесь для накачки употребляются лампы-молнии, но физические процессы иные. Для накачки используется ультрафиолетовый свет с длиной волны 0,25 мкм. Под действием этого излучения происходит диссоциация молекул. Замечательным является то обстоятельство, что атомы иода, отрываясь от молекулы, оказываются в возбужденном состоянии! Как видите, это совсем другой способ достижения инверсии заселенности. Рабочий переход 2 —> 1

приводит к лазерному излучению с длиной волны 1,3 мкм, после чего происходит воссоединение атома иода с молекулярным остатком.

Вероятно, читатель слыхал, что широко используются гелий-неоновые лазеры. С их помощью получают достаточно сильный инфракрасный луч с длиной волны 1,13 мкм. Эти лазеры не принадлежат к числу рекордсменов по мощности. Поэтому мы приводим схему уровней для другого лазера, работающего на смеси азота и углекислого газа (рис. 1.8).

Но прежде чем перейти к ее описанию, надо ответить на естественный вопрос: зачем надо пользоваться смесью газов? Ответ таков: одни атомы и молекулы проще возбудить, а другие легче высвечиваются. Так что в лазере, работающем на смеси, в основном накачиваются энергией частицы одного сорта, столкновениями они передают энергию другим атомам или молекулам, а уже эти последние создают лазерный луч.

B ходу системы, состоящие более чем из двух газов. В частности, и в лазере, где основная роль принадлежит азоту и углекислому газу, кроме этих двух веществ целесообразно использовать различные добавки, в том числе гелий.

Накачка лазера, в котором «работают» молекулы СО₂, производится способом, отличным от двух описанных. Смесь газов помещается в газоразрядную трубку, напряжение подается достаточно высокое для того, чтобы система перешла в состояние плазмы. Быстро движущиеся электроны возбуждают колебания молекул азота. Схема показывает скачок этой молекулы на верхний этаж. Не безразлично, какое напряжение приложено к электродам. Оптимальной энергией для возбуждения молекул азота является энергия около 2 эВ.

Молекула азота играет роль лишь посредницы. Сама она не дает излучения, а полученную от электронов энергию передает молекуле СО₂ и переводит ее на верхний лазерный уровень.

Верхними лазерными уровнями 2 являются «квартиры третьего этажа» молекул СО₂. Время жизни молекулы газа на верхнем лазерном уровне — около 0,001 с. Это совсем не мало, и молекула имеет достаточно большой шанс дождаться встречи с фотоном подходящей энергии, который вынудит ее поселиться этажом ниже.

Надо заметить, что «межквартирные» переходы много чаще переходов между «этажами». Время жизни на вращательном уровне измеряется десятимиллионными долями секунды. Это удачное обстоятельство приводит к тому, что заселение квартир каждого этажа можно считать стабильным. Поэтому с помощью технического приема, о котором мы говорили, — создания подходящего расстояния между зеркалами, — удается выделить какой-либо один переход — допустим, с шестой квартиры третьего этажа в пятую квартиру второго.