Таким образом, прослеживая затухание свечения

вдоль пучка, можно определить время τ, а, значит,

и коэффициент A21. Измерения показали, что обы- чно среднее время жизни атома в возбужденном

состоянии τ ~10-8 секунд. Например, для красной

линии водорода (λ = 656.2 нм) τ = 1.5·10-8 с, для ре- зонансной линии ртути (λ = 253.7 нм) τ = 9.8·10-8 с. Но в некоторых случаях наблюдаются значитель- ные отклонения от этой величины.

Необходимо отметить важную особенность спонтан- ного излучения. Т.к. различные атомы излучают независимо друг от друга, то между фазами волн, испускаемых разными атомами, нет никакой связи. Это означает, что спонтанное излучение некоге- рентно.

Теперь рассмотрим индуцированное излучение. Ес- ли на атом действует внешнее электромагнитное поле с частотой, равной частоте излучаемого фо-

тона, то к спонтанной составляющей добавляется

вероятность вынужденного перехода. Вероятность таких переходов пропорциональна числу атомов на верхнем уровне N2, а также спектральной плот- ности энергии электромагнитного излучения ρν, в

котором находятся атомы, поэтому полное число

переходов dN12 "сверху вниз" за время dt равно

где B21 - эйнштейновский коэффициент индуциро- ванного излучения.

Переходы 1 → 2 происходят в результате поглоще- ния кванта света атомом. Их вероятность пропор- циональна числу атомов на уровне 1, а также, оче- видно, плотности энергии электромагнитного поля

где коэффициент пропорциональности B12 называет-

ся эйнштейновским коэффициентом поглощения.

При равновесии dN12 = dN21, или

(A21 + B21 ρν)N2 = B12 ρν N1,

Сдругой стороны, это же отношение может быть вы-

ражено по закону распределения Больцмана:

где g - статистический вес уровня (фактор вырожде-

ния), равный числу состояний атома с одной и той же энергией. Сравнивая (26.7) и (26.8), получаем:

При T → ∞ плотность излучения ρν также → ∞, поэто- му из (26.9) следует: B12g1 = B21g2, или, если g1 = g2, то

Вкурсе оптики была получена формула Планка для спектральной плотности излучения:

Сравнивая (26.10) и (26.12), с учетом (26.11), видим

поэтому достаточно экспериментально измерить только коэффициент A21, который, как указано вы-

ше, является одной из атомных констант.

Отметим важную особенность индуцированного из- лучения: оно имеет ту же частоту, направление распространения и поляризацию, что и вынуждаю-

щее внешнее излучение, а также находится в оп- ределенном фазовом соотношении с внешним по-

лем, т.е. индуцированное излучение когерентно.

Это свойство легко понять, если обратить внимание

на то, что поглощение и вынуждающее излучение -

два взаимно обратных процесса. Хорошо извест- но, что при поглощении полностью сохраняются

свойства когерентности, поглощение лишь умень-

шает интенсивность светового пучка. Из опытов по интерференции света мы знаем, что прохождение

света через поглощающую среду, например, све-

тофильтр, не разрушает интерференционную кар- тину; из опытов с линзами знаем, что помещение светофильтра перед линзой не вносит никаких ис- кажений в изображение, и т.д. В силу законов сим-

метрии когерентность индуцированного излучения

с этой точки зрения является совершенно естест- венной.

Итак, принцип работы лазеров основан на открытом А.Эйнштейном в 1917 г явлении индуцированного

излучения. В течение последующих 4-х десятиле-

тий физиками обсуждался вопрос о возможности

практического использования этого явления.

Важный в этом направлении был сделан в Физичес- ком институте АН СССР (ФИАНе) в 1939 году.

Группой сотрудников ФИАНа (рук. В.А.Фабрикант)

впервые была доказана возможность усиления

света за счет индуцированного излучения, и ясно сформулировано необходимое для этого условие: "создание избыточной по сравнению с равновес-

ной концентрации атомов на верхних, возбужден- ных уровнях". (Сейчас это называется инверсной

заселенностью уровней энергии).

В1954 г, который считается годом рождения кванто-

вой электроники, были почти одновременно опуб- ликованы две статьи:

ВСССР: Н.Г.Басов и А.М.Прохоров "Использование молекулярных пучков для радиоспектроскопичес- ких исследований вращательного спектра моле- кул", и

ВСША Дж.П.Гордон, Х.Дж.Цайгер и Ч.Х.Таунс "Мо-

лекулярный генератор СВЧ и сверхтонкая структу-

ра СВЧ-спектра молекулы аммиака NH3". В этих статьях была обоснована идея мазера (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - усиление СВЧ-колебаний с помощью индуциро- ванного излучения. Хотя в дальнейшем мазеры широкого применения не нашли, это был послед- ний шаг на пути создания лазера.

В1955 году одновременно в

СССР (Н.Г.Басов, А.М.Про-

хоров) и в США (Ч.Таунс) был создан первый квантовый ге-

нератор (мазер), активной

средой которого являлся пу-

чок молекул аммиака NH3 (но- белевская премия, 1964 г).

В1960 году был построен пер- вый твердотельный лазер на

рубине (Т.Мэйман, США).

В1961 году создан первый га- зовый лазер на He-Ne смеси

(А.Джаван, США)

Общие принципы работы квантовых генераторов

Рассмотрим систему, состоящую из большого числа атомов. Предположим, что через нее распростра-

няется параллельный монохроматический пучок

света, частота которого соответствует частоте пе- рехода между состояниями 1 и 2. Обозначим че-

рез N1 и N2 заселенности этих состояний, т.е. число

атомов в единице объема на уровнях 1 и 2. Оче- видно, что сумма N1 + N2 = N0 - полному числу ато- мов N0 в единице объема.