3. Розширення унаслідок зіткнень.

Зіткнення атомів з іншими атомами, іонами, вільними електронами або стінками посуду в газі, а також взаємодія атомів з гратками в твердих тілах (яке можна розглядати як зіткнення з фононом) приводять до збільшення швидкості обміну енергією між частинками і відповідно до зменшення часу життя атома у збудженому стані. Форма спектральної лінії, розширеною за рахунок зіткнень, описується функцією Лоренца, як і при природному розширенні, де Δω = 1/τ_р , де τ_р - час релаксації, який визначається процесами зіткнень.

(7)

де τ_зт – інтервал часу між двома зіткненнями атомів (обернено пропорційна тиску газу),

а_в – ефективний боровський радіус атома (молекули);

р - тиск газу.

Особливо ефективно процеси релаксації із збуджених станів можуть здійснюватися в твердих тілах при взаємодії з коливаннями граток, при цьому τ_р може складати 10^-9 - 10^-11 с.

4. Розширення за рахунок впливу внутрішніх (внутрікрісталічних) і зовнішніх електричного і магнітного полів.

Цей механізм розширення визначається ефектами Зеємана і Штарка. Якщо величини зеєманівського або штарковського розщеплювання менше ширини кожного підрівня, то поряд розташовані підрівні частково перекриваються, викликаючи розширення відповідних спектральних ліній.

В якості активних матеріалів твердотільних лазерів широко використовують різні кристали, в грати яких введені спеціальні іони - активатори. До них, наприклад, відноситься рубін - кристал окислу алюмінію Al₂O₃, легований хромом. Іони хрому Сr³⁺ , заміщають іони алюмінію А1³⁺ і знаходяться під впливом сильного внутрікрісталічного електричного поля ξ_кр з боку найближчих до них іонів алюмінію і кисню, яке зрушує і розщеплює енергетичні рівні Сr³⁺.

Розрізняють однорідне і неоднорідне розширення.

Розширення називається однорідним, якщо лінії кожного окремого атома і системи в цілому розширюються однаково. До однорідного розширення відносяться природне розширення, розширення за рахунок процесів релаксації, зокрема зіткнень, і т.д.

Розширення називається неоднорідним, якщо резонансні частоти окремих атомів не співпадають і розподіляються в деякій смузі частот, приводячи до розширення лінії системи в цілому при істотно меншому розширенні лінії окремих атомів. До неоднорідного розширенню відносяться допплерівське розширення, розширення за рахунок неоднорідностей середовища і т.д.

Форма однорідно розширених спектральних ліній зазвичай добре описується функцією Лоренца

а форма неоднорідно розширених ліній - функцією Гауса

В чистому вигляді спектральна лінія буде розширена однорідно або неоднорідно у разі, коли переважає якийсь один механізм розширення. Нерідко загальне розширення спектральною ліній визначається одночасно декількома механізмами. У цьому загальному випадку форма лінії визначатиметься згорткою функцій g₁ (ω) і g₂(ω), що описують форму лінії для різних процесів:

(8)

(операція згортки двох функцій g₁ (ω) і g₂(ω) позначається зірочкою *).

Якщо однорідне і неоднорідне розширення мають один порядок величини, то завдання визначення форми лінії зводиться до знаходження згортки лоренцевої і гауссової функцій.