После установления основных уравнений электродинамики Максвеллом (1871 г.) последовало обоснование представления о свете как электромагнитной волне [толчком послужили измерения Вебера (1858 г.)]. Существование электромагнитных волн было подтвреждено Герцем экспериментально в 1888 г. Возникшая из объяснения фотоэффекта гипотеза Эйнштейна о световых квантах (1905 г.), согласно которой свет состоит из отдельных квантов энергии (фотонов), зависящей от частоты, привела, наконец, к современному представлению о дуализме света.

Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.

Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения в диапазоне сантиметровых воли и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. По предложению (1958г.) распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер (light amplification by Stimulated emission of radiation) - твердотельный рубиновый лазер, за которым в дальнейшем последовал ряд других типов лазеров (табл. 1.1),

Таблица 1.1. Хронологическая таблица развития квантовой электроники

Этапы развития

Авторы

Введение понятия вынужденного (индуцированного) излучения Экспериментальное обнаружение вынужденного излучения Экспериментальное обнаружение инверсии заселенностей Предложения об усилении за счет вынужденного излучения

Первый мазер на аммиаке

Первый твердотельный мазер Предложение об усилении за счет вынужденного излучения в оптическом диапазоне

Предложение о создании газового лазера

Предложение о создании полупроводникового лазера

Первый твердотельный (рубиновый лазер)

Первый He-Ne-газовый лазер

Обнаружение нелинейного оптического эффекта (генерация гармоник): начало развития нелинейной оптики Первый полупроводниковый (инжекционный) лазер

Первый лазер на центрах окраски Первый лазер на красителе

Соединение (инжекционного) лазера с миниатюрными оптическими и электронными элементами (интегральная оптика)

Первый лазер с распределенной об-)атной связью

Лервый лазер на свободных электронах

Первый солитонный лазер

A. Эйнштейн

Р. Ладенбург, X. Коп-ферман

3. Парселл, Р, Паунд

B. А. Фабрикант, Дж. Вебер

И. Г. Басов, А. М. Прохоров

Дж. Гордон, X. Цайгер,

4. Таунс

А. Шавлов, Ч. Таунс

А. Джаван

И. Г. Басов, Б. М. Бул. Ю. М. Попов Т. Мейман

А. Джаван, В. Р. Бен-нет (мл.), Д. Эрриот П. Франкен, А. Хилл, Ч, Питере, Г. Вейнрайх

М. Натан, В. Думке, Г. Берне, Ф. Дил (мл.), Г. Лашер

Б. Фритц, Е. Менке

П. Сорокин, Дж. Лан-

кард

С. Миллер

К. Шенк, Дж. Бьёрк-холм, X. Когельиик Д. Дикон, Л. Элайес, Дж. Мейди, Г. Рэймен, X. Шветтман, Т. Смит Л. Моллеиауэр, Р. Што-

Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра.

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

высокой спектральной плотностью энергии;

монохроматичностью;

высокой временной и пространственной когерентностью;

высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особвгё свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.

1.2. ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В соответствии с представлениями классической электродинамики известно, что каждый ускоренный электрический заряд приводит к излучению электромагнитной волны, причем ускорение в простейшем случае может быть связано с колебаниями заряда.

Это справедливо для метровых волн радиовещательных и телевизионных передатчиков и сантиметровых и миллиметровых волн микроволновой техники. При этом типичным является то обстоятельство, что под действием соответствующей обратной связи возбуждается большое число электронов в синхронные колебания (синусоидальный ток в антенне), а это приводит к излучению электромагнитной волны по синусоидальному закону (рис. 1.1). Частота v колебания определяется при этом свойствами колебательного контура -индуктивностью L и емкостью С контура.

Поскольку с помощью современных полупроводниковых элементов не удалось уменьшить определенную нижнюю границу для Z, и С, то таким способом возможно генерирование электромагнитных волн с максимальной частотой примерно 10 Гц соответственно /. 1 мм (табл. 1.2). Таким образом, более коротковолновое излучение можно получать с помощью атомных диполей. Это относится, в частности, к световым волнам.

Под атомным диполем понимают колеблющийся диполь атомных размеров (порядка 10- см). При этом речь идет о молекулах, атомах, возбуждениях в твердых телах, а также (для чрезвычайно коротковолнового Y-излучения) ядрах атомов.

Атом состоит из положительно заряженного атомного ядра и вра-вдающегося (отрицательного) электронного облака, причем возможны только определенные энергетические состояния атома £i (t=l, 2...) (электронные орбиты Бора, дискретные энергетические состояния э квантовой механике, квантование энергии) (рис. 1.2). Переход с более высокого (энергия Ег) к более низкому энергетическому состоянию (Е\) (электронный переход) осуществляется за счет колебания диполя с час-