Вычислим изменение интенсивности проходящего

пучка света. Число атомов на нижнем уровне, зак-

люченных в объеме единичного сечения и толщи- ны dx равно N1dx. Поэтому уменьшение интенсив- ности в единицу времени вследствие переходов с поглощением 1 → 2 равно

Втом же самом объеме число атомов, находящихся

на верхнем уровне, равно N2dx, поэтому вследст- вие индуцированных переходов с излучением 2→1 в пучок поступает энергия, и интенсивность пучка за единицу времени увеличивается на

Таким образом, суммарный энергетический баланс

индуцированного когерентного излучения в пучке

равен:

Учитывая, что плотность излучения в параллельном пучке, распространяющемся со скоростью света, равна ρν = I/c, получаем:

- коэффициент усиления или ослабления (в зависи-

мости от знака). Интегрируем (26.17):

При равновесном распределении это невозможно,

но неравновесную систему с таким распределени-

ем создать можно, причем разными способами. Поиск и разработка методов создания таких не-

равновесных атомных систем является одной из

основных задач квантовой электроники.

Такие неравновесные системы носят название "сис- темы с инверсной заселенностью". Иногда их на- зывают также системами с отрицательной темпе- ратурой; имея ввиду формальный знак в показате- ле экспоненты в распределении Больцмана. Но это название не является вполне корректным, т.к. понятие температуры, строго говоря, неприменимо к системам, в которых нарушено термодинамичес- кое равновесие.

Инверсная заселенность является необходимым, но не достаточным условием усиления излучения. В

реальных веществах всегда имеются причины,

приводящие к дополнительным потерям электро-

магнитной энергии, которые не были учтены в на- ших рассуждениях (например, рассеяние на неод- нородностях вещества и др.). С учетом этих по-

терь формула (26.19) примет вид

где κ - коэффициент поглощения из-за дополнитель- ных потерь в веществе, не связанных с переходом 1 → 2. Отсюда следует, что излучение усиливает-

ся, если индуцированное излучение с избытком компенсирует все потери электромагнитного излу-

чения в веществе.

Обычно коэффициент усиления очень мал, так что

(μ-κ) L << 1

где L - толщина слоя активного вещества (т.е. веще- ства с инверсной заселенностью). Из-за этого для получения заметного выигрыша в усилении при- шлось бы создать активную среду очень большой протяженности. Например, для того, чтобы в крис- талле рубина излучение усилилось в 100 раз, кри- сталл должен иметь длину около 5 метров.

Поэтому вторым необходимым условием для созда- ния квантового генератора является наличие по-

ложительной обратной связи, при которой усилен-

ный сигнал возвращается в усилитель, где он сно- ва усиливается, затем еще раз, и т.д.

С этой целью активная среда помещается внутрь ре- зонатора, образованного двумя параллельными зеркалами, отстоящими друг от друга на некото-

ром расстоянии L. Излучение, пройдя первый раз

активную среду, усиливается в eL(μ-κ) раз. Затем, отразившись от зеркала и повторно пройдя через

активную среду, пучок усиливается еще в eL(μ-κ) раз,

т.е. интенсивность станет равной e2L(μ-κ), и т.д.

Мощность излучения будет нарастать до тех пор, по-

ка заселенности уровней не станут одинаковыми: N1 = N2, тогда коэффициент μ станет равным нулю, и процесс усиления прекратится; на выходе будет получен импульс излучения. Затем надо восстано- вить инверсную заселенность и получить новый импульс и т.д. Такой режим работы лазера назы- вается импульсным. Но возможен и непрерывный режим работы, для этого надо постоянно в рабо- тающем лазере поддерживать инверсную заселен- ность. Для вывода излучения из резонатора одно из зеркал делают частично прозрачным. Короткие импульсы получают при помощи оптических затво- ров, использующих поворот плоскости поляриза- ции света в веществе под действием электричес- кого поля ("ячейки Керра").

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Устройство и принцип действия газового рассмотрим на примере гелий-неонового лазера.

Схема газового лазера Джавана и Беннета (1960г). Газоразрядная трубка 2 длиной 100см и диамет- ром 1.5см наполнена гелием и неоном при давле-

нии 1 и 0.1 мм рт.ст. соответственно. Зеркала 4 можно регулировать при помощи юстировочных

устройств 3. Разряд в трубке поддерживается вы-

сокочастотным генератором 1.

Для создания инверсной заселен-

ности в этом лазере используется

одна из особенностей энергети- ческих уровней атома гелия: нали-

чие метастабильных уровней 23S1 и

21S0. Спонтанный переход с этих уровней запрещен квантовыми пра- вилами отбора, однако переход

вверх 11S0 → 23S1 или 11S0 → 21S0

возможен, например, посредством электронных ударов. Возбуждение

атомов гелия электронным ударом

осуществляется с помощью электрического разряда при низком давлении (несколько мм. рт. ст.).