6. Механизм инверсной заселенности на примере системы энергетических уровней ионов хрома в рубине

Рассмотрим теперь, как механизм инверсной заселенности реализуется в рубиновом лазере. Активной средой является рубин- кристалл, основой которого является корунд, т е. кристалл окиси алюминия – Al₂O₃. В нем небольшая часть атомов алюминия (~ 0,05%) замещена ионами хрома. Эти ионы и играют основную роль в работе квантового генератора. Упрощенная система энергетических уровней иона хрома дана на рис. 6.

В этой системе метастабильным является уровень 2. Рассмотрим принцип создания инверсии в этом случае. За счет внешнего источника излучения подходящей частоты (импульсной газоразрядной лампы) ионы хрома переводятся в энергетическое состояние Е₃. Их время жизни в этом состоянии много меньше времени жизни на уровне Е₂, и они относительно быстро, безизлучательным путем, отдав излишек энергии кристаллической решетке, переходят в состояние Е₂, накапливаясь там. Так создается инверсия населенности, приводящая к выполнению основного условия, необходимого для возникновения усиления (n₂ > n₁). Затем спонтанное излучение (при переходе Е₂→Е₁) играет роль затравочного кванта для последующей генерации лазерного излучения.

7. Общая схема лазера, назначение его основных компонентов: активного элемента, системы накачки и резонатора

Р ассмотрим принципиальное устройство рубинового лазера (рис. 7).

О

7

н состоит из активного вещества 1 (рубинового стержня), системы накачки 2 (две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор. Коэффициент отражения зеркала 3 равен 100% (оно называется глухим), зеркала 4 (выходного) – меньше 100%. После того как в рубиновом стержне под действием вспышки газоразрядной лампы достигнуто состояние инверсии в нем возникают многочисленные акты спонтанного излучения (при переходе Е₂→Е₁).

Пусть какой-нибудь из возбужденных атомов хрома, находящийся на уровне Е₂, спонтанно испускает фотон (затравочный квант), летящий вдоль оси стержня перпендикулярно зеркалам. Этот фотон вызывает вынужденное излучение других атомов хрома, и образуется лавина фотонов. Поскольку волны, соответствующие этим фотонам, точно совпадают по фазе, возникает электромагнитная волна с непрерывно увеличивающейся амплитудой. Дойдя до зеркала, она отражается и проходит вдоль стержня в обратном направлении. В результате многократного отражения образуется мощное монохроматическое когерентное излучение. При каждом акте прохождения часть излучения выходит через зеркало 4, образуя лазерный луч.

Излучение, вызванное фотонами, движущимися под каким-то углом к оси стержня, не может многократно отражаться от зеркал и усиливаться. Этим объясняется высокая направленность излучения лазера.

8. Виды лазеров и основные свойства лазерного излучения

По типу активной среды различают твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные и др. лазеры.

В зависимости от режима работы ОКГ делятся на непрерывные и импульсные. Так, например, рубиновый лазер являет импульсным. За время порядка долей миллисекунды все возбужденные атомы хрома переходят в нормальное состояние, и излучение лазера прекращается. Далее происходит накачка активной среды и процесс повторяется. Рубиновый лазер испускает короткие, но очень мощные вспышки красного цвета.

Основными характеристиками лазерного излучения являются: когерентность, монохроматичность и высокая степень направленности. Это позволяет с помощью специальных линз сфокусировать лазерное излучение в малую область размером порядка длины волны света и добиться большой концентрации энергии. Эти достоинства лазерного излучения определили широкое использование лазеров в различных областях науки и техники, в том числе и в медицине.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на два вида:

1. низкоинтенсивные (НИЛ) – интенсивность не превышает 10 Вт/см², чаще всего составляет около 0,1 Вт/см² (используются в терапии);

2. высокоинтенсивные (ВИЛ) – интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10¹⁴ Вт/см², в медицине обычно используют лазеры с интенсивностью 10²-10⁶ Вт/см² (используются в хирургии).