1.13. Лазеры

Квантовыми генераторами называются источники когерентного излучения, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Квантовые генераторы ультракоротких радиоволн называются мазерами. Квантовые генераторы, излучающие в оптическом диапазоне, называютсялазерами или оптическими квантовыми генераторами.Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Рассмотрим принципы работы лазера.

1.13.1. Инверсия населенностей

Пусть на вещество воздействует свет частоты ν = (E_i - E_k )/h. Он будет вызывать два конкурирующих процесса (рис.1.19):

1 - вынужденный переход E_i E_k (излучение);

2 - вынужденный переход E_k E_i (поглощение).

Вероятности этих переходов одинаковы.

Обозначим ΔZ_ki - число переходовE_k E_i ,ΔZ_ik - число переходовE_i E_k .

Для того, чтобы получить усиление света необходимо выполнение условия

ΔZ_ik > ΔZ_ki. (1.13.1)

Число атомов в состоянии с энергией E_i называют населенностью уровня E_i и обозначаютN_i , тогдаN_к – населенность уровня E_k .

Число переходов с энергетического уровня будет пропорционально его населенности

ΔZ_ki ~ N_k , (1.13.2)

ΔZ_ik ~ N_i.(1.13.3)

Рассмотрим систему, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия. Распределение атомов по энергетическим состояниям определится законом Больцмана

. (1.13.4)

Чем больше энергия уровня, тем меньше его населенность, то есть N_i < N_к , следовательно число переходов с излучением будет меньше числа переходов с поглощением света.

Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, не может усиливать электромагнитное излучение.

Для получения усиления света необходимо создать также неравновесноесостояние в системе, при котором населенность верхнего энергетического уровня была бы больше населенности нижнего уровня

N_i > N_к.(1.13.5)

Такое состояние называется состоянием с инверсией населенности^.

Естественно, что не любое возбуждение и не в каждом веществе может вызвать инверсию населенностей. Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей, называют лазерной(мазерной)активной средой, а соответствующий рабочий элемент –активным элементом. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населенностей, называютрабочими лазерными уровнямиэнергии.

1.13.2. Способы создания инверсии населенностей

Процесс возбуждения активной среды с целью получения инверсии населенностей называют накачкой, а источник возбуждения - источником накачки.

Существуют различные способы накачки. Назовем некоторые из них:

• оптическая накачка. Происходит за счет поглощения вспомогательного излучения (применяется в рубиновом лазере);

• электрическая накачкав высокочастотном газовом разряде (гелий-неоновый лазер);

• инжекция носителей заряда в область p–n – перехода(инжекционные полупроводниковые лазеры).

Практически накачка осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной Басовым и Прохоровым (1955г).

Рассмотрим накачку на примере гелий-неонового лазера (рис.1.20). Активной средой в нем является плазма высокочастотного газового разряда в смеси гелия (He) и неона (Ne). Парциальные давления гелия и неона составляют соответственно 1мм и 0,1 мм ртутного столба.

Процесс 1. Атомы гелия за счет соударения с электронами переходят из основного энергетического состоянияE₁в возбужденное состояниеE₃ .

Состояние Е₃является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет величинуτ  10^-3. За это время возбужденные атомыHeпри столкновениях с атомамиNeпередают им свою энергию(Процесс 2).В результате создается инверсная населенность энергетического уровняЕ₃атомаNe:N_E3 >N_E2 (1.13.6)

Переход атомов неона с уровня Е₃сопровождается вынужденным излучением (Процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.