13.7. Принципи генерації електромагнітних коливань (лазери)

Лазер²⁷ - це генератор електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, принцип дії якого заснований на використанні вимушених переходів між енергетичними рівнями. Збуджений атом із стану з енергію може перейти в стан з енергією мимовільно (спонтанні переходи) і під дією електромагнітного випромінювання (індуковані або вимушені переходи)

Вимушені переходи відбувається з тією ж частотою , що і спонтанні переходи. Частота, фаза та напрямок розповсюджування електромагнітних хвиль, що генеруються при вимушених переходах, збігаються з частотою, фазою та напрямком розповсюджування випромінювання, яке стимулює вимушені переходи. Тому один фотон, що викликає вимушений перехід, утворює два тотожних фотона і так далі. Внаслідок цього виникає когерентне вимушене випромінювання. Ця його особливість використовується в лазерах - джерелах (генераторах) когерентного випромінювання ІЧ, видимого, УФ та рентгенівського діапазонах спектра та мазерах - генераторах когерентного випромінювання радіодіапазона довжин хвиль.

За допомогою системи з інверсною заселеністю рівнів, яка створюється накачкою за рахунок енергії зовнішнього джерела енергії, можна, згідно (13.25), створити підсилювач світла. При цьому коефіцієнт лінійного ослаблення світла змінює знак і стає меншим нуля , що збільшує інтенсивність світла .Таким чином для того, щоб мати підсилювач необхідно забезпечити:

0. активне середовище - середовище, в якому створюється інверсія заселеності рівнів;

1. джерело накачки, за допомогою енергії якого збуджується робоче тіло до стану інверсії заселеності рівнів;

2. Щоб перетворити підсилювач на генератор електромагнітного випромінювання необхідно забезпечити

3. систему зворотного зв’язку, за допомогою якої підсилювач перетворюється на генератор електромагнітних хвиль.

Накачка здійснюється різними способами: зовнішнім допоміжним джерелом світла - спеціальними лампами накачки, електронними потоками - електронна накачка, електричним газовим розрядом, який утворюється і підтримується зовнішнім джерелом живлення, хімічними реакціями, джерелами теплової енергії, тощо.

Робоче тіло повинно мати зручні для накачки електронні енергетичні рівні. Вони бажано повинні бути метастабільними, що збільшує ймовірність вимушених переходів по відношенню до спонтанних переходів та достатньо великий середній час життя у збудженому стані , що призводить до зменшення напівширини спектральної лінії , яка випромінюється.

Оптичний зворотний зв’язок здебільшого здійснюється за допомогою еталона Фабрі-Перо - відкритого резонатора з великою добротністю. Він не тільки здійснює зворотний зв’язок, але й виконує ще такі додаткові функції:

1. - збільшує оптичний шлях розповсюджування світла в робочому тілі,

2. - здійснює колімацію світлового променя,

3. - забезпечує монохроматизацію світла.

Розглянемо при яких умовах можлива генерація.

Припустимо, що активне середовище, в якому створена інверсія населеностей, знаходиться між двома дзеркалами з коефіцієнтами відбиття R₁ і R₂, які разом складають резонатор лазера. Розглянемо резонатор цілком заповнений активним середовищем. Нехай у точці А в якийсь момент часу інтенсивність випромінювання, що поширюється від дзеркала до дзеркала , дорівнює (рис.13.7). При поширенні в активному середовищі випромінювання підсилюється і поблизу поверхні дзеркала , його інтенсивність становить . Після відбиття від дзеркала інтенсивність зміниться і буде рівна . Знов випромінювання підсилюється, поширюючись в напрямку до дзеркала _, і відбившись від дзеркала _, попадає в точку А. Його інтенсивність у точці А після повного обходу резонатора дорівнює