2.15. 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, называются лазерами или оптическими квантовыми генераторами. Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Рассмотрим принципы работы лазера.

1. Инверсия населенностей

Пусть на вещество воздействует свет частоты ν = (E_i - E_k )/h. Он будет вызывать два конкурирующих процесса (рис.2.21):

1 - вынужденный переход E_i E_k (излучение);

2 - вынужденный переход E_k E_i (поглощение).

Вероятности этих переходов одинаковы.

Обозначим ΔZ_ki - число переходов E_k E_i , ΔZ_ik - число переходов E_i E_k .

Д ля того, чтобы получить усиление света необходимо выполнение условия

ΔZ_ik > ΔZ_ki. (2.102)

Число атомов в состоянии с энергией E_i называют населенностью уровня E_i и обозначают N_i , тогда N_к – населенность уровня E_k .

Число переходов с энергетического уровня будет пропорционально его населенности

ΔZ_ki ~ N_k , (2.97)

ΔZ_ik ~ N_i. (2.98)

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

. (2.103)

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 неравновесное состояние в системе, при котором населенность верхнего энергетического уровня была бы больше населенности нижнего уровня

N_i > N_к. (2.104)

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, называют рабочими лазерными уровнями энергии.

2. 16. 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 накачка в 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).

Р ассмотрим накачку на примере гелий-неонового лазера (рис.2.22). 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 состояния E₁ в возбужденное состояние E₃.

Состояние Е₃ является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет величину τ  10^-3с. За это время возбужденные атомы He при столкновениях с атомами Ne передают им свою энергию (Процесс 2). В результате создается инверсная населенность энергетического уровня Е₃ атома Ne : N_E3 >N_E2 (2.105)

Переход атомов неона с уровня Е₃ сопровождается вынужденным излучением (Процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.