Техника - молодёжи 1978-12, страница 7

МОЗАИКА В МОЗАИКЕ

АЛЕКСАНДР КРУЗЕ, кандидат технических наук, наш спец. корр.

Сравнительно недавно группа молодых сотрудников Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и Института физики Академии наук Азербайджанской ССР была удостоена премии Ленинского комсомола «за исследование физических процессов в активных средах газовых и твердотельных оптических квантовых генераторов». Премию получили шесть человек: Т. Басиев, Т. Мамедов, И. Щербаков, В. Автономов, М. Новгородов и В. Очкин. Первые трое изучали явления в твердотельных лазерах, трое остальных — в газовых.

Наш журнал неоднократно писал об устройстве и принципе работы этих приборов. Подчеркнем лишь, что, прежде чем лазерный луч впервые сверкнул в лаборатории, была разработана теория лазерного излучения — теория ныне широко известная, основанная на инверсной заселенности энергетических уровней и на индуцированном излучении фотонов.

Грубо говоря, для того чтобы создать лазер с нужными свойствами, необходимо научиться: во-первых, запасать в достаточном количестве подходящим образом возбужденные атомы, а во-вторых, заставлять их излучать свет по команде. Но для этого надо уметь заранее рассчитывать поведение

возбужденных атомов в активном веществе квантового генератора. К сожалению, теория позволяет это делать только в отдельных, наиболее простых случаях. Например, когда в качестве модели активного вещества выступает правильная кристаллическая решетка. Но, как известно, на свете ничего идеального нет. Даже в самом лучшем кристалле имеются, хотя и небольшие, структурные дефекты. Поэтому теоретически описать во всех деталях поведение активных атомов в лазерном кристалле, даже если он близок к идеальному, весьма нелегко. Что же говорить о других активных веществах, более сложных по составу и куда более далеких от модели?

16 лет, прошедших со дня появ ления первого лазера, были заполнены неустанной совместной работой теоретиков и экспериментаторов. Намечались направления поисков, исследовались свойства огромного количества разных веществ, строились и испытывались опытные образцы квантовых генераторов. В результате семейство лазеров необычайно разрослось, их свойства стали столь разнообразными, что описать процессы, происходящие в активных средах, с единой точки зрения сделалось невозможно. Физики даже считают, что на создание такого описания в

ближайшее время нет никаких надежд. Поэтому на практике приходится прибегать к следующему: разрабатывать теоретическое обоснование для конкретного частного случая, а затем стараться экспериментальным путем подтвердить и уточнить его. Подобная работа интенсивно ведется во всем мире: из отдельных кусочков знаний как бы составляется общая мозаичная картина, которая в принципе позволит получить единое представление о «лазерном семействе».

Два ярких кусочка смальты добавили к этому панно молодые советские ученые. Сегодня мы расскажем о работе Т. Басиева, Т. Ма-медова и И. Щербакова, которые провели большой цикл экспериментальных и теоретических работ по исследованию процессов, происходящих в активных средах лазеров, работающих на твердом теле (кристалл или стекло).

Задача, которую решали молодые специалисты, формулируется просто. Дано: твердое тело, содержащее некоторое количество примесных атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Требуется: найти способ учитывать влияние на скорость возврата возбужденных частиц в основное состояние большего числа различных факторов. Установить характер такого влияния — значит научиться прогнози-

Для наглядности можно изобразить атом в виде системы энергетических уровней При поглощении кванта све та атом переходит в возбужденное состояние, Его энергия условно изображается гирькой, поднятой на некоторый уровень. На первом рисунке показан часто используемый в лазерной технике способ перевода активного атома примеси в состояние «боевой готовности» Итак, энергия нван-та тратится на перенос^ гирьки на одни из высших уровней. За очень короткое время атом самопроизвольно переходит в состояние с несколько меньшей энергией — гирька опускается ниже и попадает на так назы

ваемый «метастабильный уровень»». В Этом состоянии атом может существовать некоторое время — оно н используется для накопления нужного для 1азернон вспышки ноличе-ства возбужденных атомов. На остальных рнсуннах показана дальнейшая возможная судьба атома, находящегося в метастабильном состоянии: самопроизвольно за счет запасенной энергии излучается фотон; энергия полностью переходит н аналогичному соседнему атому, который не возбужден; к соседнему атому переходит лишь часть энергии, при этом оба атома, хотя и остаются возбужденными, не могут участвовать в лазер

ной вспышке — каждому не хватает энергии; два атома «совместными усилиями* переводят третий в сильно возбужденное состояние

Только один из рассмотренных случаев (третий рисунок) благоприятен для накопления возбужденных атомов н последующего нх нспользова ния. Для расчетов лазеров необходимо знать вероятности всех показанных на рисунках процессов В действительности дело осложняется еще и тем, что активные атомы нзаимо действуют не только между собой, но и с атомами других сортов, находящимися в лазерном мате онале.