Первым газовым лазером непрерывного действия (1961 г.) был гелий-неоновый лазер. В газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом

Лазеры генерируют в видимой инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне). Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, разработанная Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым, Ч. Таунсом, нашла свое применение в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн).

Оптические квантовые генераторы

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы приводят к дальнейшим индуцированным переходам, в результате чего число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением возможно и поглощение. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения превышало число актов поглощения фотонов. Поэтому необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии было бы значительно больше чем в основном. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней. Процесс создания неравновесного состояния осуществляется при помощи накачки. Впервые на возможность получения сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, указал в 1939 г. рос. физик В.А. Фабрикант.

Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичным фотонам): оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно вынуждающему, т.е. испущенный фотон неотличим от падающего на атом.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой удовлетворяющей условию, то возникнет вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние, сопровождаемый излучением фотона той же энергии. При подобном переходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением.

Переход возбужденной квантовой системы (атома, молекулы) с верхнего энергетического уровня на нижний сопровождается испусканием фотона с. Процесс испускания фотона без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно.

Спонтанное и вынужденное излучение

Лекция 11. Лазерное излучение

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. Более точная классификация учитывает также и методы накачки – оптические, химические, тепловые и т.д. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации – непрерывный или импульсный.

Лазер имеет три основных компонента: активную среду; систему накачки (устройство для создания инверсной населенности уровней); оптический резонатор (устройство для выделения избирательного направления пучка фотонов и формирования выходящего светового пучка).

Первым твердотельным лазером (1960 г. США), работающим в видимой области спектра, был рубиновый лазер (Т. Мейман). В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровней схеме, предложенной в 1955 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым.

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия , в котором часть ионов замещена трехвалентными ионами (от 0,05 до 0,5%). Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. Излучение лампы имеет длину волны . При интенсивном облучении рубина ионы переходят на широкие энергетические уровни I и II, имеющие время существования порядка 10^-7 с. С уровней I и II атомы переходят на метастабильные уровни III D t ~5×10^-3 с. В результате на уровне III происходит накопление атомов хрома, т.е. возникает среда с инверсной населенностью уровней.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический генератор. В простейшем случае им может служить пара обращенных друг к другу параллельных зеркал (одно из которых является полупрозрачным) на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда.

За счет спонтанных переходов в объеме рубина появляются фотоны. Фотоны, летящие под большими углами к оси резонатора, покидают рубин через боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отражаются и вызывают лавину индуцированных фотонов. Усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Излучение соответствует переходу с подуровней III на основной уровень – спектр состоит из двух линий 6927А и 6943А.

Дата добавления: 2014-01-13