Оптические квантовые генераторы: принципы и применение

Физические основы фокусировки света и принципиальное отличие лазерного излучения. Классическая геометрическая оптика определяет, что оптическая линза или вогнутое зеркало фокусирует параллельный пучок света в точку, расположенную в фокальной плоскости. При обратном расположении, когда точечный источник света находится в фокусе, прошедшая часть световой энергии трансформируется в параллельный пучок лучей. Таким образом, сферическая волна, испускаемая из фокуса, преобразуется оптической системой в плоскую волну. Однако при распространении обычного параллельного пучка света неизбежно происходят процессы рассеяния, в результате которых яркость луча закономерно снижается по мере увеличения расстояния.

Фундаментальное ограничение классических оптических систем заключается в том, что ни одна из них не способна создать изображение традиционного источника света с яркостью, превышающей яркость самого источника. Так, сфокусированное большим вогнутым зеркалом солнечное излучение способно резать сталь и плавить гранит, однако его температура ограничена температурой поверхности Солнца. Принципиально иными характеристиками обладают оптические квантовые генераторы (лазеры). Они генерируют практически не расходящийся световой поток, причем степень параллельности лучей возрастает с увеличением поперечного сечения пучка. Сфокусированный луч лазера пробивает стальные пластины, испаряет алмаз, а при фокусировке в газовой среде инициирует оптический пробой, создавая миниатюрное плазменное образование. При этом сам генератор энергии остается холодным, а в некоторых конструкциях его рабочее тело охлаждается до температуры жидкого азота.

Квантовомеханические принципы генерации: вынужденное излучение и инверсия заселенности. За фундаментальные исследования в области квантовой электроники, создавшие теоретическую базу для разработки квантовых генераторов, советские физики Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и американский физик Ч. Таунс в 1964 году были удостоены Нобелевской премии. В основе работы этих приборов лежат постулаты квантовой теории Н. Бора, согласно которым энергия электронов в атоме квантована и принимает дискретные значения E₁, E₂, E₃, ..., E_n. Схематически данные состояния представляются в виде энергетических уровней (на рис. 98 приведена схема энергетических уровней атома водорода).

Рис. 98. Энергетические уровни атома водорода.

Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний сопровождается выделением кванта энергии. В естественных условиях эти процессы носят спонтанный, хаотический характер. Для получения когерентного монохроматического излучения необходимо обеспечить одновременный переход множества электронов — вызвать стимулированное (вынужденное) излучение. А. Эйнштейн теоретически доказал, что фотон с энергией, равной разности энергий двух уровней, способен не только поглотиться с переводом электрона на верхний уровень, но и индуцировать переход электрона с верхнего уровня на нижний. При вынужденных переходах вторичные фотоны полностью идентичны первичным по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации.

В термодинамическом равновесии нижние энергетические уровни заселены сильнее верхних, вследствие чего процессы поглощения преобладают над излучением. Для создания условий генерирования требуется за счет внешней энергии (накачки) перевести систему в неравновесное состояние — создать инверсию заселенности, при которой верхние уровни оказываются более заселенными, чем нижние. Из возбужденного состояния с временем жизни порядка 10⁻⁸ с частицы переходят на основной уровень. В некоторых системах существует промежуточный, метастабильный уровень, время жизни на котором составляет порядка 10⁻³ с, что позволяет накапливать значительное число возбужденных частиц. При попадании хотя бы одного резонансного фотона возникает лавинообразная реакция вынужденных переходов.

Устройство и принцип работы рубинового лазера. Генератор световых волн данного типа получил наименование лазер (англ. LASER — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью индуцированного испускания). Конструктивная схема рубинового лазера приведена на рис. 99. Прибор состоит из синтетического рубинового стержня с полированными торцами, один из которых выполнен полностью отражающим (непрозрачным), а противоположный (выходной) — частично прозрачным. Оптическая накачка осуществляется газосветной импульсной лампой, расположенной вокруг стержня.

Рис. 99. Схема устройства рубинового лазера.

Рис. 100. Энергетические уровни рубинового лазера.

Схема энергетических уровней ионов хрома в рубине представлена на рис. 100. Излучение лампы накачки с длиной волны 560 нм переводит электроны на верхний энергетический уровень. Затем посредством безызлучательных переходов (с передачей энергии кристаллической решетке) электроны переходят на метастабильный уровень (694,3 нм), где происходят их накопление и формирование инверсии заселенности.

Рис. 101. Излучение квантов в рубиновом лазере.

Единичные кванты с длиной волны 694,3 нм инициируют индуцированные переходы электронов с метастабильного уровня на основной. Как показано на рис. 101, в процессе многократного отражения между зеркальными торцами рубинового стержня происходит лавинообразное нарастание интенсивности светового потока. При достижении пороговой мощности излучение проходит через полупрозрачный торец в виде узконаправленного светового импульса высокой яркости, видимого на расстояниях до 40 км.

Медицинское применение лазерного излучения. Высокая интенсивность и монохроматичность лазерного луча сочетаются с его ключевым качеством — избирательностью биологического действия. Лазерное излучение выборочно поглощается окрашенными тканями и практически беспрепятственно проходит через оптически прозрачные среды.

Применение в офтальмологии и дерматологии. Проходя через прозрачные среды глаза (роговицу, хрусталик, водянистую влагу), луч поглощается пигментным эпителием сетчатки. Это свойство используется для приваривания (лазерной коагуляции) отслоившейся сетчатки (рис. 102) и разрушения внутриглазных новообразований.

Рис. 102. Схема приваривания сетчатки в глазном дне.

В дерматологии селективная фотодеструкция позволяет удалять пигментные пятна и татуировки. При правильно подобранных параметрах излучения разрушаются только пигментированные клетки, тогда как окружающие неокрашенные участки кожи остаются неповрежденными.

Лазерная онкология и хирургия. Перспективным направлением является лазерная деструкция опухолей. Автоматизированные установки по заданной программе облучают массу новообразования импульсами высокой мощности, вызывая необратимые повреждения патологических клеток. В хирургии мягких тканей излучение газовых лазеров непрерывного действия выполняет роль «светового скальпеля»: оно одновременно рассекает ткани и обеспечивает гемостаз путем коагуляции пересекаемых кровеносных сосудов. Кроме того, сфокусированный оптикой микроскопа лазерный луч диаметром менее 1 мкм используется в качестве микробура для селективного разрушения отдельных органелл внутри клетки.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.