31. Інверсна залежність рівнів і «від’ємні» температури

Існують різні способи одержання середовища з інверсною населеністю рівнів. У рубіновому лазері використовується оптичне накачування, атоми збуджуються за рахунок поглинання світла. Але для цього недостатньо тільки двох рівнів. Яким би потужним не було світло лампи–накачування, число збуджених атомів не буде більше числа незбуджених. У рубіновому лазері накачування проводиться через вище розташований третій рівень (мал. 3)

Малюнок 3. Трьохрівнева схема оптичного накачування. Зазначені «часи життя» рівнів E2 і E3. Рівень E2 – метастабільний. Перехід між рівнями E3 і E2 безпроменевий. Лазерний перехід здійснюється між рівнями E2 і E1. У кристалі рубіна рівні E1, E2 і E3 належать домішним атомам хрому

Після спалаху потужної лампи, розташованої поруч із рубіновим стрижнем, багато атомів хрому, що входить у вигляді домішки в кристал рубіна (близько 0,05%), переходять у стан з енергією E3, а через проміжок τ≈10^–8  с вони переходять у стан з енергією E2. Перенаселеність збудженого рівня E2 у порівнянні з незбудженим рівнем E1 виникає через відносно великий час життя рівня E2.

Лазер на рубіні працює в імпульсному режимі на довжині хвилі 694 мм (темно-вишневе світло), потужність випромінювання може досягати 10⁶–10⁹   Вт в імпульсі. Історично це був перший діючий лазер, побудований американським фізиком Т.Майманом в 1960 р.

Одним з найпоширеніших у цей час є газовий лазер на суміші гелію й неону. Загальний тиск у суміші становить порядку 10²Па при співвідношенні компонентів He і Ne приблизно 10:1. Активним газом, на якім у безперервному режимі виникає генерація на довжині хвилі 632,8 нм (яскраво-червоне світло), є неон. Гелій – буферний газ, він бере участь у механізмі створення інверсної населеності одного з верхніх рівнів неону. Випромінювання He–Ne лазера має виняткову, неперевершеною монохроматичністю. Розрахунки показують, що спектральна ширина лінії генерації He–Ne лазера становить приблизно Δν ≈ 5·10^–4  Гц. Це фантастично мала величина. Час когерентності такого випромінювання виявляється порядку τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·10³  с, а довжина когерентності cτ ≈ 6·10¹¹  м, тобто більше діаметра земної орбіти!

32. Трирівневі лазери.

Трирівнева система. Існують різні методи отримання середовища з збудженими станами атомів. У рубіновому лазері для цього використовується спеціальна потужна лампа. Атоми збуджуються за рахунок поглинання світла.

Але двох рівнів енергії для роботи лазера недостатньо. Яким би потужним не був світло лампи, число збуджених атомів більше не числа незбуджених. Адже світ одночасно і збуджує атоми, і викликає індуковані переходи з верхнього рівня на нижній.

Вихід було знайдено у використанні трьох енергетичних рівнів (загальне число рівнів завжди велике, але йдеться про «працюючих» рівнях). На малюнку 3 зображено три енергетичних рівня. Істотно, що в відсутність зовнішнього впливу час, протягом якого атомна система знаходиться в різних енергетичних станах («час життя»), неоднаково. На рівні 3 система живе дуже мало, порядку 10-8 с, після чого мимоволі переходить в стан 2 без випромінювання світла. (Енергія при цьому передається кристалічній решітці.) «Час життя» в стані 2 в 100 000 разів більше, тобто складає близько 10-3 с. Перехід зі стану 2 в стан 1 під дією зовнішньої електромагнітної хвилі супроводжується випромінюванням. Це використовується в лазерах. Після спалаху потужної лампи система переходить в стан 3 і через проміжок часу близько 10-8 с опиняється в стані 2, в якому живе порівняно довго. Таким чином і створюється «перенаселеність» збудженого рівня 2 в порівнянні з незбудженим рівнем 1.

Необхідні енергетичні рівні маються на кристалах рубіна. Рубін - це яскраво-червоний кристал оксиду алюмінію Al2O3 з домішкою атомів хрому (близько 0,05%). Саме рівні іонів хрому в кристалі володіють необхідними властивостями.

33. Рубіновий і газовий лазери.

Газовий лазер Для таких лазерів в якості активної речовини використовують або суміш газів, або речовина, що знаходиться в пароподібному стані. Газове середовище полегшує отримання безперервного стимульованого випромінювання, оскільки для перекладу речовини в збуджений стан потрібна менша енергія. Вперше в якості активної речовини застосовувалася суміш гелію і неону. Атом гелію в процесі газового розряду збуджується електронами струму і переходить з основного рівня 1 на рівень 2. При зіткненні атомів гелію з атомами неону останні також збуджуються і здійснюють перехід на один з чотирьох верхніх підрівнів (мал. 7). У зв'язку з тим, що перерозподіл енергії при зіткненні двох частинок відбувається з мінімальним зміною загальної внутрішньої енергії, то атоми неону переходять в основному саме па рівень 2, а не на рівень 3 або 4. Внаслідок цього створюється перенаселеність верхнього рівня 2. При переході атомів неону з рівня 2 на один з підрівнів 3 і з рівня 3 на рівень 4 відбувається випромінювання. Оскільки рівень 2 складається з чотирьох, а рівень 3 - з десяти підрівнів, то теоретично є більше тридцяти можливих переходів. Однак тільки п'ять переходів дають стимульоване випромінювання, яке зосереджено на довжинах хвиль: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм

Дія рубінового лазера.

Посріблені торці циліндричного стрижня з штучного рубіна служать дзеркалами. Одне з них покрито менш щільним шаром срібла, тому воно напівпрозорої і через нього випромінюється лазерний світло. Рубін - кристал, що складається з окису алюмінію з домішками окису хрому. Атоми алюмінію і кисню не грають визначальної ролі в лазерної генерації; головні енергетичні переходи реалізуються в хромі. При порушенні атоми хрому переходять з основного стану на один з двох рівнів збудження. Вони досить широкі, і атоми хрому збуджуються багатьма довжинами хвиль світла накачування. Однак внаслідок нестабільності вони миттєво покидають верхні рівні і переходять на нижчий рівень; при цих переходах випромінювання не відбувається, а вивільнена енергія передається кристалічній решітці окису алюмінію, де і розсіюється у формі теплових втрат. Однак з низького рівня атом хрому випромінює вимушено і переходить внаслідок цього на основний рівень. Кванти, еміттірованних атомами хрому, багато разів відбиваються між посрібленими дзеркалами рубінового стрижня і по дорозі змушують багато збуджені атоми випускати такі ж кванти; процес наростає лавиноподібно і закінчується імпульсом лазерного світла. Напівпрозоре дзеркало повинне добре відображати лазерне випромінювання, щоб забезпечити необхідну інтенсивність його змушує частки, але одночасно і побільше пропускати його на вихід; зазвичай його коефіцієнт відбиття - бл. 80%. При мимовільному випромінюванні атом хрому перебуває на збудженому рівні E не більше 10-7 с, а при вимушеному - у 10 тисяч разів довше (10-3 с). Тому у лазерного світла достатньо часу, щоб викликати вимушене випромінювання величезного числа збуджених атомів активного середовища.