Вынужденное излучение. Лазеры

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)– усиление света с помощью вынужденного излучения.

Лазер – это квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения.

Усиление света производится излучением, индуцированным светом, проходящим через вещество.

Переход 1-2 возможен только при поглощении фотона, т.е. при взаимодействии между атомом и потоком излучения (рис а).

Переход 2-1 может происходить спонтанно (независимо от излучения) и индуцировано (т.е. под воздействием потока излучения)

При спонтанном излучении фотон имеет произвольное направление вектора импульса (рис б ).

При индуцированном (вынужденном) переходе фотон, который излучается (вторичный) имеет то же направление, что и первичный фотон, вызвавший его появление (рис в).

Эйнштейн и Дирак доказали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) имеют такую же частоту, фазу, поляризацию и направление, что и вынуждающее излучение, т.е. вынужденное излучение когерентно с вынуждающим излучением, и. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении, встречают другие возбужденные атомы, тоже стимулируют дальнейшие индуцированные переходы и число фотонов растет. Если на пути фотонов поставить с торцов два параллельных зеркала (резонатор), то поток фотонов, многократно отражаясь, будет вызывать лавинообразно нарастающее число вторичных фотонов (рис).

Наряду с вынужденным излучением возможен и процесс поглощения. В системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным излучением, т. е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.

Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число вынужденных переходов превышало число поглощенных фотонов. Т.е. необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии больше, чем число атомов в основном состоянии. Такое состояние системы называетсясостоянием с инверсией населенности.

Перевод системы в инверсное состояние называется накачкой.

Среда с инверсным состоянием называется активной.

Практически инверсное состояние среды осуществляется в оптических квантовых генераторах (лазерах).

По типу активности среды лазеры бывают: твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные.

Любой лазер имеет 3 основных компонента:

1. Активную среду, в которой создают инверсию населенности;

2. Систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде);

3. Оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).

Первый твердотельный лазер (рубиновый) создан в 1927г Мейманом.

Инверсия населенности осуществляется по трехуровневой схеме:

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Аl₂О₃, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Аl замещены трехвалентными ионами Cr³⁺

Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3 (рис.). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше 10^–7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3®1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безизлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина.

Переход 2®1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка 10^–3 с, т. е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Вынужденный переход с метастабильного уровня 2 на уровень 1 –дает когерентное излучение. Оптический резонатор (зеркала) усиливает фотонный поток, формируя тем самым лазерное излучение (в данном случае красного света с длиной волны λ = 0,604 мкм.