7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни

В основе объяснения функционирования лазера три понятия «три слона»:

1) Вынужденное(или индуцированное, или стимулированное – это всё синонимы) излучение.

2) Инверсная заселённость энергетических уровней.

3) Метастабильные уровни.

1. Вынужденное излучение – излучение возбуждённого атома под действием внешнего фотона.

При переходе с возбуждённого уровня Е₂ на нижний уровень Е ₁ (рис. 7.1 а) может быть испущен фотон. Его энергия = Е₂ - Е ₁ , а длина волны = .

При спонтанном (самопроизвольном) излучении переходы могут быть с разных уровней на разные и следовательно сопровождаться излучениями с разными длинами волн. К тому же излучения разных атомов несогласованные, с разными фазами и в разных направлениях.

При вынужденном излучении ( рис. 7.1 б) на возбуждённый атом действует внешний фотон с такой длиной волны , что его энергия равна разности энергий возбуждённого и ниже расположенного уровня: = Е₂ - Е ₁ . При этом атом совершает переход с уровня Е₂ на уровень Е ₁ и излучаются два фотона, совершенно идентичных первичному: с той же энергией, частотой, длиной волны, фазой и направлением распространения. Воспользовавшись биологической терминологией, можно сказать происходит «клонирование» фотонов.

а) б)

Рис. 7.1. Спонтанное (самопроизвольное) излучение -а, Вынужденное (индуцированное) излучение -б.

Но для усиления света посредством вынужденного излучения требуется ешё и инверсная заселённость уровней.

2) Инверсная заселённость энергетических уровней – когда на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем (рис. 7. 2 б).

При обычной заселённости ( рис. 7.2 а), когда на нижнем уровне атомов больше, чем на верхнем, внешние фотоны чаще взаимодействуют с невозбуждёнными атомами и поглощаются, вызывая их переход на верхний уровень. При этом свет будет ослабляться.

И только при инверсной заселённости будет чаще происходить взаимодействие внешних фотонов с возбуждёнными атомами, чем с невозбуждёнными. Вынужденное излучение будет превалировать над поглощением, и свет будет усиливаться. Начнётся лавинообразное нарастание числа фотонов, потому что вторичные фотоны будут вызывать новое индуцированное излучение и т.д.

а) б)

Рис. 7.2. Обычная заселённость-а и инверсная заселённость энергетических уровней-б

Но чтобы создать инверсную заселённость уровней, надо, чтобы возбуждённый уровень был метастабильным.

2. Метастабильный уровень – такой, на котором атом задерживается больше, чем 10^-3 с, значительно дольше, чем на обычном уровне (10^-7 с). На метастабильном уровне можно «накопить» достаточное количество атомов для создания инверсной заселённости.

7.2. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ (Hе –Nе) ЛАЗЕР

Первый лазер, работающий в оптическом диапазоне – рубиновый лазер (1960 год) работал в импульсном режиме. Он испускал красные лучи с длиной волны 694,3нм. Мощность импульса достигала 1 МВт. Этот лазерный луч мог прожигать отверстия в монетах. Даже в то время в связи с этим вспомнили про знаменитый фантастический роман А.Н.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Но наибольшее распространение получил созданный в этом же году источник «мягкого» непрерывного излучения: Hе –Nе лазер.

На рисунке 7.3 а представлена схема устройства Hе –Nе лазера, а на рисунке 7.3 б упрощённая схема расположения энергетических уровней гелия и неона.

б)

Рис.7.3. Схема устройства Hе –Nе лазера -а. Упрощённая схема расположения энергетических уровней гелия и неона -б .

В газоразрядной трубке Т (см. рис.7.3 а ) при пониженном давлении около 1 мм.рт.ст. содержатся атомы Не - о и Ne – Гелия в 10 раз больше, чем неона. При помощи источника высокого напряжения И в трубке происходит электрический разряд, при котором атомы Не возбуждаются и переходят на возбуждённые уровни ( рис.7.3 б). Возбуждённый уровень Не - 2 -метастабильный, на нём накапливается большое число возбуждённых атомов. Он близок к уровню 3 Nе. При соударениях возбуждённых атомов Не с невозбуждёнными Nе атомы гелия передают свою энергию атомам неона и таким образом увеличивают заселённость третьего неонового уровня. А уровень 2 неона «разгружается», потому что размеры трубки подобраны так, чтобы при столкновении с её стенками атомы неона отдавали энергию и переходили на уровень 1 . Таким образом, образуется инверсная заселённость уровня 3 неона относительно уровня 2. Теперь при спонтанных переходах Nе с третьего на второй уровень рождаются фотоны, которые способны вызвать вынужденные переходы с 3 на 2, а это сопровождается лавинообразным нарастанием числа фотонов. Длина волны излучения 632,8нм.

Важную роль играют строго плоскопараллельные непрозрачное зеркало З₁ и полупрозрачное З₂ Фотоны, отражаясь от них , много раз пробегают через рабочее вещество лазера и частично выпускаются через З₂ .

Зеркала нужны, чтобы:

а) увеличить вероятность взаимодействия фотонов с возбуждёнными атомами,

б) отобрать для «размножения» только те фотоны, которые летят вдоль оси трубки.

В наше время существует большое число различных типов лазеров. Например, широкое применение получили полупроводниковые лазеры. У них более низкое качество излучения, но благодаря своей невысокой цене и низкому энергопотреблению они используются во множестве областей науки, техники, медицины и промышленности.