2. Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней.

В любой системе, предоставленной самой себе, при любой температуре устанавливается термодинамическое равновесие. Распределение атомов системы по энергетическим уровням подчиняется при этом распределению Больцмана:

,

где - общее число атомов,- число атомов с энергией.

С увеличением энергии число атомов, обладающих этой энергией, убывает, если.

Рис.3.

Это нормальная заселенность уровней. Чтобы создать индуцированное излучение, нужно чтобы в состояниях с большей энергией было больше атомов.

3. Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней.

Рис.4.

Пусть удалось создать ситуацию, когда на более высоких энергетических уровнях находится больше атомов. Если записать распределение Больцмана для этого случая, то формально это соответствует.

Рис.5.

,, отсюда.

Но отрицательная температура не имеет физического смысла. Следует учесть, что понятие температуры вводится для равновесных состояний. Состояние с - неравновесное. Его можно реализовать искусственно. Заселенность уровней в этом случае инверсное (обращенное) (то есть на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем). Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Накачка может в основном осуществятся двумя способами:

1. используется излучение мощного источника света

2. электрический разряд

Для создания инверсной заселенности уровней используют трех или четырехуровневую систему. Система с двумя уровнями непригодна. Покажем это.

Рис.6.

Облучая мощным источником света, атомы переводят из состояния 1 в 2. Когда населенность уровней станет одинаковой, процессы излучения и поглощения будут компенсировать друг друга.

,, отсюда.

Среда будет прозрачной. Интенсивность света до и после среды будет одинаковой.

Итак, основными элементами лазера будут:

1. активное вещество, где можно создать инверсную заселенность

2. источник накачки (оптический способ, электрический разряд)

3. резонатор

4. Рубиновый лазер

Один из первых генераторов когерентного света, работающих по схеме трех уровней с твердым телом в качестве активной, усиливающей среды, был создан в 1960 году. Активным веществом является рубин. Это окись , в которой часть атомовзамещена на. Активным веществом в рубине являются ионы хрома. От содержания хрома зависит окраска рубина. Обычно хрома в рубине. Длина рубинового стержня берется в пределахсм, диаметрсм. (рис. 7.)

Схема рубинового лазера.

Рис.7. - непрозрачное зеркало,- полупрозрачное зеркало.

Накачка рубина осуществляется ксеноновой лампой, работающей в импульсном режиме. За с лампа потребляет несколько тысяч джоулей энергии. Мощное излучение ксеноновой лампы переводит ионыиз состояниена широкую полосу(рис. 8).

Рис.8.

С этого уровня черезс они самопроизвольно безизлучательно переходят в состояние 2. Время жизни этого уровня велико. Это метастабильный уровень. Здесь скапливается большое число атомов. Уровень 2 оказывается инверсионно заселенным по сравнению с уровнем 1. Возникновение инверсии уровней 2 и 1 способствует малая вероятность спонтанных переходов ионов с уровня 2 на уровень 1. Достаточно одному из ионов хрома перейти из состояния 2 в состояние 1, как начинается лавинообразный процесс лазерной генерации. Длина волны лазерного луча для рубина равна 694,3нм. Эффект усиления света, основанный на индуцированных переходах, можно увеличить путем многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой усиливающей среды. Для этого торцы рубина делают зеркальными. Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кристалла. Он рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении. Часть этой лавины частично пройдет через полупрозрачное зеркало, а часть отразится, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до непрозрачного зеркала, она отразится, и будет вновь двигаться как первоначальный затравочный фотон, переводя все новые атомы изв. Расстояние между зеркалами. Усиливаться будет та длина волны, для которой выполняется условие, где- целое число,- это путь, который волна проходит между двумя отражениями. Тогда отраженная и бегущая волна будут в одной фазе, и при их сложении будет резко возрастать амплитуда результирующей волны. Остальные длины волн не удовлетворяющие условию будут гаситься. Волны, идущие не параллельно оси кристалла выйдут через боковые грани. Поток становится строго направленным монохроматичным. Когда мощность луча достигает, он вырывается через полупрозрачное зеркало.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Меняя положение зеркал можно добиться мощности , длительностьюс.

В настоящие время созданы лазеры на жидкостях, полупроводниках и газах.