Лазеры.

Лазерами называют специальные оптические устройства, позволяющие получить узконаправленный пучок монохроматических, поляризованных световых волн. Дословный перевод слова лазер - усиление света посредством вынужденного излучения. Из названия вытекает главная особенность данного излучения – это не обычное спонтанное излучение, рассмотренное выше, а вынужденное или индуцированное. Для него характерно то, что если электрон находится на некотором возбужденном уровне (Е₂), то переход этого электрона на основной уровень Е₁ может быть инициирован другим фотоном (Рис 7).

 

 

 

При этом фотон, инициирующий переход электрона на основной уровень порождает совершенно идентичный вторичный фотон - той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении, точно такой же поляризации. Появляются как бы два совершенно одинаковых фотона – близнеца, что и отражено в названии - “усиление ”.

Для работы лазера важным условием является наличие электронов на верхнем, возбужденном уровне. Пусть n₁ – число электронов, которые находятся в нижнем энергетическом состоянии, n₂ - число атомов которые находиться в верхнем энергетическом состоянии. Обычно n₂ ‹ n₁ . Поэтому для работы лазера нужно искусственно создать условия, при которых n₂ › n₁, так называемую инверсную населенность уровней. Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной.

Поддержание инверсной населенности уровней называется накачкой. Активную среду нужно расположить между двумя зеркалами, отражающими свет строго назад (Рис 8).

 

 

 

 

 

 

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Лазерное излучение выводится наружу через одно из зеркал, обладающее частичной прозрачностью.

В рубиновом лазере используется оптическая накачка. Получение лазерного излучения возможно только в такой системе, для которой существует, по крайней мере, три энергетических уровня. Один из этих уровней является метастабильным с достаточно продолжительным временем жизни. Атомы возбуждаются за счет поглощения света через третий (Е₃) выше расположенный уровень – Рис 9. В кристалле рубина уровни Е₁, Е₂, Е₃ принадлежат примесным атомам хрома.

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем многие атомы хрома , входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0.05%), переходят в состояние с энергией Е₃, а через промежуток 10^-8 с они переходят в состояние с энергией Е₂. Перенаселенность возбужденного уровня Е₂ по сравнению с невозбужденным уровнем Е₁ возникает из за относительно большого времени жизни уровня Е₂. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694нМ (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 10⁶-10⁹ Вт

Газовый лазер работает на смеси гелия и неона при соотношении компонент Не и Ne примерно как 10:1, давление смеси примерно равно 100 Па, длина волны 632,8 нМ в непрерывном режиме. Для газового лазера характерна высокая монохроматичность - ширина линии 5*10^-4 Гц. Накачка осуществляется в высоковольтном электрическом разряде.  

1[1] В действительности потенциальная энергия двух взаимодействующих частиц на большом расстоянии их друг от друга равна нулю, а на близком расстоянии изменяется, как указано выше.

2[2] Напомним, что ИК излучение занимает область на шкале электромагнитных волн от самых коротких радиоволн (λ= 1мМ) до самых длинных волн видимого (красный свет) излучения (λ= 760 нМ).