Основные принципы работы лазеров

Основой работы оптического квантового генератора (ОКГ) является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного (вынужденного) излучения.

Согласно квантовой теории Эйнштейна процесс взаимодействия электромагнитных волн с веществом состоит из трех элементарных актов: поглощение фотона, спонтанного излучения и индуцированного излучения. Если микрочастица находится в возбужденном состоянии, а ее энергия превышает допустимое значение Е₀,то через некоторое время она перейдет в состояние с меньшей энергией. При этом переходе она испускает фотон. Такой переход называют самопроизвольным или спонтанным излучением. Спонтанное излучение носит шумоподобный характер. Отдельные акты спонтанного излучения различными частицами происходят случайно. Момент излучения кванта каждой из возбужденных частиц, направление его движения и поляризация не связаны с актами испускания квантов другими такими же частицами. Все традиционные источники света используют спонтанно излучаемый свет.

При индуцированном излучении возбужденная частица может перейти в состояние с меньшей энергией под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты. При этом она испускает квант, имеющий такую же частоту, поляризацию и направление распространения, как и приходящие извне. Вероятность испускания индуцированного излучения пропорциональна интенсивности внешнего излучения - числу квантов в единицу времени. Фаза возникающих при индуцированных переходах электромагнитных волн согласована с фазой внешних волн. Поток индуцированного излучения отличается от первичного возросшей интенсивностью.

Однако в любой находящейся в термодинамическом равновесии или вблизи его колонии частиц заселенности более высоких уровней энергии меньше заселенности уровней, расположенных ниже. Поэтому процессы поглощения квантов происходят чаще, чем индуцированное излучение. По этой же причине электромагнитные волны резонансной частоты, взаимодействуя с такими частицами, рассеивают свою энергию и затухают.

Чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо необходимо вывести систему частиц из состояния термодинамического равновесия и создать более высокую заселенность одного из возбужденных состояний за счет внешних сил (накачка). При этом создается инверсная заселенность в системе микрочастиц. Среда с инверсной заселенностью становится активной, т.е. способной усиливать волны резонансной частоты.

В любом ОКГ накачка обеспечивается за счет работы стороннего источника энергии. Принцип работы ОКГ рассмотрим на примере конструкции лазера с рубиновым стержнем (рис. 11.1).

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой (0,04-0,05%) атомов трехвалентного хрома.

Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых импульсной лампой фотонов возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Для изготовления лазеров подбирают такие вещества, атомы которых переходят из возбужденного состояния в основное не сразу, а через промежуточное метастабильное состояние. Атомы находятся в этом состоянии до тех пор, пока они не будут вынуждены перейти в основное состояние. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить при этом фотон, как это стимулирует такой же переход других атомов.