Лазеры – оптические квантовые генераторы

Тепловое излучение и люминесценция осуществляются посредством спонтанных переходов атомов и молекул с более высоких энергетических уровней на низкие уровни.

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность вынужденных переходов, которые должны сопровождаться индуцированным излучением.

Под индуцированным излучением он понимал излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательным свойством этого излучения является то, что световая волна индуцированного излучения не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

С квантовой точки зрения это означает, что из высшего энергетического состояния атом переходит в низшее, но не самопроизвольно, как при тепловом излучении и люминесценции, а вынужденно, под действием внешней световой волны. При этом если на атом, находящийся в высшем энергетическом состоянии , подействовать одним фотоном энергией , то при переходе атома в основное состояние получается уже два фотона: падающий и индуцированный.

Если же из состояния перевести атомы в энергетическое состояние и собрать там большое количество атомов, а затем одновременно перевести их снова в состояние (создать переход ), то можно получить мощное усиление падающего излучения.

Но в обычных условиях с увеличением энергии уровня заселенность, т.е. число атомов на этом уровне, уменьшается. Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить заселенность уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией . В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную заселенность. Энергетически наиболее выгодной схемой создания инверсной заселенности является трехуровневая система, содержащая метастабильный уровень – уровень, на котором время жизни

атома составляет до .

Первый генератор оптического излучения – лазер был создан на розовом рубине, , в котором некоторые атомы замещены ионами (именно в таком виде хром находится в кристалле рубина).

При поглощении света ионы переходят из основного состояния в

возбужденное состояние (переход ). Обратный переход квантовомеханически запрещен, но безизлучательный переход разрешен. Он происходит из-за того, что возбужденные ионы отдают кристаллической решетке рубина часть своей кинетической энергии и переходят с уровня на метастабильный уровень без излучения. Как уже отмечалось, на этом уровне ионы могут находиться в течение . Создается инверсная заселенность.

Создание инверсной заселенности называется накачкой. В рубиновом лазере накачка осуществляется с помощью мощной импульсной ксеноновой лампы. При достаточной мощности накачки число ионов на метастабильном уровне становится больше, чем на невозбужденном уровне , т.е. происходит инверсия.

С метастабильного уровня некоторые ионы хрома могут спонтанно перейти в состояние , излучая фотоны света. Под действием этих фотонов происходит каскад вынужденных переходов соседних атомов на уровень , сопровождающихся индуцированным излучением (усиление света).

Кристалл рубина исполняется в виде цилиндра, торцы которого строго параллельны друг другу. Торцы покрыты слоем серебра, причем один из торцов прозрачен. Такие торцы образуют зеркальный резонатор. Каскад фотонов, которые получаются при переходе , многократно отражаются от торцов и на своем пути вызывают вынужденное излучение все большего числа возбужденных ионов . Через прозрачный торец выходит мощный кратковременный импульс красного цвета . Рубиновый лазер является импульсным генератором света.

Существуют лазеры непрерывного действия. В лазерах этого типа рабочим веществом является газ.

Например, гелий – неоновый лазер. Рабочим телом в гелий – неоновом лазере является смесь благородных газов и , помещенная в стеклянный баллон.

Накачка производится с помощью высокочастотного электрического поля, вызывающего в газе тлеющий разряд. Легкие атомы гелия под действием электрического поля возбуждаются и переходят на уровень . В процессе неупругого соударения атомы передают энергию атомам , которые, возбуждаясь, накапливаются на двух метастабильных уровнях и , с которых они переходят на уровень с излучением света двух длин волн: и . Мощность - го лазера невелика.

В медицине применяются также полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение происходит под действием электрического тока, газодинамические лазеры непрерывного действия.