3. Вынужденные переходы в атомах и вынужденные излучения. Лазеры

Переходы электронов в атоме с одного стационарного энергетического уровня на другой могут быть спонтанными и вынужденными. Спонтанные (самопроизвольные) переходы возможны только с более высоких на более низкие уровни, приводящие к спонтанному испусканию фотонов атомами.

Переходы электронов с более низких уровней на более высокие возможны только при поглощении соответствующей энергии атомом, т.е. вынужденно.

В 1918 году Эйнштейн предсказал, что кроме спонтанных переходов сверху вниз, должны быть и вынужденные переходы, сопровождающиеся вынужденным или индуцированным излучением фотона.

Вынужденное излучение должно обладать важными свойствами:

а) направление распространения излученного фотона должно в точности совпадать с направлением распространения внешнего фотона, вызывающего переход сверху вниз электрона в атоме,

б) должны точно совпадать частота, фаза и направление поляризации вынужденного и вынуждающего фотонов, т.е. оба излучения должны быть когерентными. Эта особенность вынужденного излучения стала основой действия усилителей и генераторов света, т.е. лазеров.

Квантовым усилителем (генератором) называют устройство, в котором усиление (генерация) электромагнитных волн возникает в веществе с инверсной заселенностью энергетических уровней. Среда, содержащая достаточно большое количество одинаковых возбужденных атомов, число которых превышает количество таких же атомов, находящихся в основном энергетическом состоянии, называется инверсной средой. Создать инверсную (активную) среду: накачать можно потоком мощного света, облучением быстрыми частицами, химическим путем, нагревом и т.д.

Рабочим телом (средой) первого лазера был рубиновый цилиндр длинной 5см и диаметром 1см. Торцы стержня 1 были тщательно отполированы и строго параллельны друг другу (рис.29).

Один торец стержня покрывался плотным слоем серебра и представлял собой непрозрачное зеркало 2. Другой торец покрывался тонким слоем серебра и был полупрозрачным зеркалом 3. Вокруг стержня располагалась импульсная ксеноновая лампа для накачки, питающаяся энергией от заряженного конденсатора 5 большой емкости.

Рубин – это окись алюминия ( - корунд), в которой часть атомов алюминия ( ) замещены атомами хрома ( ). Схема энергетических уровней атомов хрома показана на (рис.30).

При вспышке лампы ионы хрома возбуждаются, переводя электроны с уровня 1 на полосу уровней 3 (процесс накачки). Время пребывания электронов в состоянии 3 мало ( ). В течение этого времени часть ионов хрома спонтанно и безизлучательно перейдут обратно в состояние основного уровня 1. Большая же часть атомов хрома спонтанно и безизлучательно перейдут в состояние метастабильного уровня 2 со временем пребывания . При достаточной мощности накачки число ионов хрома в состоянии 2 превысит число ионов хрома в состоянии 1. В результате этого возникнет инверсия состояний 1 и 2. Случайно (спонтанно) излученный фотон при спонтанном переходе электрона с уровня 2 на уровень 1, вызовет лавину (каскад) вынужденных излучений между уровнями 2 – 1 (усиление). Чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо создать положительную обратную связь, т.е. часть испущенного излучения вернуть на вход усилителя. Это достигается путем помещения среды с инверсной заселенностью в резонатор. Резонатором является стержень с зеркалами. Лазер на рубине работает в импульсном режиме. Лазер на смеси гелия ( ) и неона ( ), а также полупроводниковые лазеры способны работать в непрерывном режиме. Такие особенности лазерного луча, как высокая монохроматичность ( ~ ) и очень малая расходимость луча нашли применение во многих областях науки, техники, медицины и позволили осуществить голографирование, т.е. интерференционно изображать предметы.