Понятие о лазерах

Прохождение излучения через вещество. Инверсная населенность уровней. Снова рассмотрим двухуровневую среду с энергетическими уровнями Е₂ и Е₁ (Е₂>Е₁). Если на эту среду падает монохроматическое излучение с частотой

то при распространении его на расстояние dx изменение спектральной плотности энергии du_w будет связано как с резонансным поглощением, так и с индуцированным (вынужденным) излучением атомов системы. За счет индуцированного излучения спектральная плотность энергии u_w=и в пучке возрастает, причем это увеличение энергии dи₊ должно быть пропорционально:

· плотности энергии в пучке;

· концентрации п₂ атомов в состоянии 2;

· пройденному расстоянию dх;

· соответствующему коэффициенту Эйнштейна,

то есть

Здесь b - размерный коэффициент пропорциональности.

Аналогично за счет процессов поглощения фотонов спектральная плотность энергии в пучке уменьшается:

Складывая dи₊ и du_-, находим полное изменение dи плотности энергии:

(6.16)

Учитывая равенство коэффициентом Эйнштейна В₂₁=В₁₂ и вводя коэффициент поглощения a, записываем это уравнение в виде

(6.17)

Решение этого дифференциальною уравнения имеет вид

(6.18)

Эта формула дает спектральную плотность энергии и в пучке фотонов при прохождении ими слоя вещества толщиной х, где u₀ соответствует точке х=0.

В условиях термодинамическою равновесия, в соответствии с распределением Больцмана, п2<п₁, поэтому коэффициент поглощения а положителен (Е₂>Е₁):

(6.19)

Таким образом, плотность энергии излучения, как видно из (6.18), убывает по мере прохождения через вещество, то есть свет поглощается. Однако, если создать систему, в которой п₂>п₁, то коэффициент поглощения a станет отрицательным и будет иметь место не ослабление, а усиление интенсивности света. Состояние среды, в котором n₂>n₁ называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется тогда активной средой. Инверсная населенность уровней противоречит равновесному распределению Больцмана и может быть создана искусственно, если система выведена из состояния термодинамического равновесия.

Это создает принципиальную возможность усиления и генерации когерентного оптического излучения и используется на практике при разработке источников такого излучения - лазеров.

Принцип работы лазера. Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах (активных средах). Первый практический генератор в видимой области спектра был создан в (США Мейманом (1960)) на основе рубина. Рубин представляет собой кристаллическую решетку А1₂О₃, содержащую небольшую (0.03%-0.05%) примесь ионов хрома (Сr). На рис. 6.1 представлена схема энергетических уровней хрома (трехуровневая среда). Широкий уровень Е₃ используется для возбуждения ионов хрома светом мощной газоразрядной лампы с широкой полосой частот в зелено-голубой области видимого света - лампы накачки. Возбуждение ионов хрома Сr⁺⁺⁺ за счет энергии накачки от внешнего источника изображено стрелкой В₁₃.

Рис. 6.1. Схема активной трехуровневой среды (рубин)

Электроны с короткоживущего уровня Е₃ совершают быстрый (10^-7 - 10^-8 с) безызлучательный переход на уровень Е₂ (изображен стрелкой S₃₂). Выделяемая при этом энергия не испускается в виде фотонов, а передается кристаллу рубина. При этом рубин нагревается, поэтому в конструкции лазера предусматривается охлаждение.

Время жизни долгоживущего узкого уровня Е₂ составляет 10^-3 с, то есть на 5 порядков больше, чем у широкополосного уровня Е₃. При достаточной мощности накачки число электронов на уровне Е₂ (его называют метастабильным) становится больше, чем на уровне Е₁, то есть создается инверсная населенность между «рабочими» уровнями Е₂ и Е₁.

Излученный при спонтанном переходе между этими уровнями фотон (изображен штриховой стрелкой A₂₁) индуцирует испускание дополнительных (вынужденных) фотонов - (переход показан стрелкой В₂₁), которые в свою очередь вызывают индуцированное излучение целого каскада фотонов с длиной волны l=6 943 А.

Поиск по сайту: