Геометрическая оптика 7 глава

Подставив в (24.21) длину системы сопряженных связей (23.43) l = NL (L — длина одного звена), находим

При N ³ 2 первый сомножитель в (24.22) можно принять при­ближенно равным 2/N, тогда

Следовательно, длина волны наиболее длинноволновой полосы поглощения lmах примерно пропорциональна N — числу сопря­женных двойных связей в молекуле:

На рис. 24.8 показаны формулы нескольких соединений с со­пряженными двойными связями и их спектры поглощения. Вид­но, что связь между химической структурой молекулы и ее спект­ральными свойствами, описываемая формулой (24.23), качест­венно выполняется.

Следует учитывать, что на положение максимума спектра по­глощения помимо длины системы сопряженных связей также мо­гут влиять соседние химические группы, агрегатное состояние ве­щества, растворитель и др. Анализ спектров поглощения дает ин­формацию как о структуре молекул, так и о свойствах среды, окружающей молекулы.

§ 24.5. Различные виды люминесценции

Люминесценцией называют избыточное над тепловым из­лучение тела, имеющее длительность, значительно превы­шающую период (-10^-15 с) излучаемых световых волн.

Первая часть определения отделяет люминесценцию от равно­весного теплового излучения. Люминесценция обычно наблюда­ется в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Тепло­вое излучение в этой области возникает только при температуре в несколько сотен или тысяч градусов, тогда как люминесценция наблюдается при любых температурах, поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением.

Признак длительности в этом определении был предложен СИ. Вавиловым для того, чтобы отличить люминесценцию от не­которых других явлений вторичного свечения, например отраже­ния и рассеяния света.

Люминесцируют электронно-возбужденные молекулы (ато­мы). В зависимости от способа возбуждения различают несколько типов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами — ионолюминесценция, электронами — катодолюминесценция, ядер­ным излучением — радиолюминесценция. Люминесценцию под воз­действием рентгеновского и у-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов видимого света — фотолюминесценцией. При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристал­лов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбуж­дается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзо­термическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

§ 24.6. Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, называемая иногда просто люминесцен­цией, подразделяется на флуоресценцию (кратковременное после­свечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесве­чение).

Начальным актом любой фотолюминесцен­ции является возбуждение фотоном с энергией hv атома или молекулы. В наиболее простом случае, который обычно реализуется в одно­атомных парах и газах при низком давлении, атом возвращается в основное состояние, излу­чая фотон света той же частоты v (рис. 24.9).

Это явление называют резонансной флуоресценцией. Специаль­ные опыты показали, что такое свечение возникает приблизи­тельно через 10~⁸ с после освещения вещества и поэтому не явля­ется рассеянием в обычном понимании этого слова.

При повышении давления или добавлении в люминесцирующие пары инородных газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция уменьшается, и появляются другие линии флу­оресценции. Это обусловлено тем, что возбужденные атомы ус­певают столкнуться с окружающими атомами или молекулами. В результате возбужденные атомы переходят в основное состоя­ние, а окружающие частицы приобретают дополнительную кине­тическую энергию.

Органические молекулы, имеющие систему сопряженных двой­ных связей, в основном (невозбужденном) состоянии почти все находятся в нижнем колебательном состоянии электронного уровня S_o (см. рис. 23.16).

Распределение молекул по энергетиче­ским уровням за счет тепловой энергии определяется распределе­нием Больцмана (§ 2.4)

где п₀ и n_i — число молекул в основном и t-ом возбужденном со­стояниях, DЕ_i — разность энергий для этих состояний, k — посто­янная Больцмана, Т — абсолютная температура.

Под действием света при выполнении условия (23.31) может произойти возбуждение молекулы с переходом на разные колеба­тельные уровни электронных уровней S_1, S₂ и т. д. Длина стре­лок, направленных вверх (см. рис. 23.16), равна энергии погло­щаемых квантов. Поглощение кванта происходит примерно за 10^-15 с. В течение последующих –10^-12 с возбужденная молекула. отдает часть энергии окружающей среде и переходит на нижний колебательный уровень электронного уровня S₁ (безызлучательные переходы показаны направленными вниз волнистыми стрел­ками). Таким образом, все молекулы, независимо от энергии по­глощенного кванта, оказываются в одинаковом самом нижнем возбужденном состоянии, в котором молекула может находиться 10^-9—10^-8 с. Дальнейшие пути расходования энергии возбужде­ния могут быть различными.

Часть молекул отдает энергию окружающим частицам, нагре­вая тело. Это соответствует безызлучательному переходу в основ­ное состояние.

Другая часть излучает кванты флуоресценции, переходя на ка­кой-либо колебательный уровень основного состояния, длина на­правленных вниз стрелок равна энергии излучаемых квантов.

У части возбужденных молекул происходит обращение спина с переходом в триплетное состояние T₁ возвращение из которого на основной уровень S_o запрещено (маловероятно), поскольку, в со­ответствии с принципом Паули, в основном состоянии не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Это приводит к за­держке молекулы в триплетном состоянии на время от 10^-6 до 10 с. Триплетные молекулы из-за большого времени жизни успевают многократно столкнуться с окружающими молекулами, поэтому они с большей вероятностью переходят в основное состояние безызлучательно. Небольшая доля триплетных молекул переходит в основное состояние, излучая кванты фосфоресценции. В жид­ких растворах фосфоресценцию обычно наблюдать не удается, т. к. почти все триплетные молекулы переходят в основное состояние безызлучательно. Поэтому для наблюдения фосфоресценции рас­творы замораживают или исследуемое вещество помещают в твер­дый растворитель.

Каждый из описанных процессов происходит с определенной вероятностью, называемой квантовым выходом. Так, кванто­вый выход флуоресценции (j_фл) равен отношению числа излу­ченных квантов флуоресценции к числу поглощенных квантов или отношению потока флуоресценции (j_фл) к потоку поглощен­ного света I₀(1 - T)S, где I₀ — интенсивность возбуждающего све­та, S — площадь поглощающей поверхности, а (1 - Т) — коэффи­циент поглощения:

Значения квантового выхода флуоресценции для разных ве­ществ сильно отличаются. Для флуоресцеина (j_фл = 0,9, для бел­ков -— варьирует в пределах 0,01—0,03. Флуоресцирующие соеди­нения удается с высокой чувствительностью (до 10^-10 г в пробе) об­наруживать в сложных смесях нефлуоресцирующих соединений. По флуоресценции удается обнаруживать грибковые повреждения волос и кожи, следовые количества наркотических веществ, на­чальные стадии порчи некоторых продуктов.

Из (24.25) следует, что поток флуоресценции (j_фл) пропорци­онален коэффициенту поглощения (1 - Т), который нелинейно за­висит от концентрации (см. рис. 24.2, а). Поэтому и флуоресцен­ция зависит от концентрации нелинейно. В эксперименте обычно регистрируют интенсивность флуоресценции I_фл:

где к — коэффициент, определяемый чувствительностью прибо­ра, Т = 10^-eCl, как следует из (24.9). В разбавленных растворах (при оптической плотности D < 0,1) отклонения от линейности со­ставляют менее 5% и ими можно пренебрегать.

Воспользуемся схемой энергетических уровней молекул и пе­реходов между ними (рис. 23.16) для пояснения законов люми­несценции.

Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения.

На рис. 24.10приведены спектры поглощения и флуоресцен­ции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего ко­лебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16).При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в теп­ло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного элек­тронного состояния. Излучение происходит только с такого уров­ня на любые колебательные подуровни основного состояния. Дли­на стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул:

Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции.Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колеба­тельного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбуждена после поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпада­ет со спектрами других типов люминесценции данного вида моле­кул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа воз­буждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длин­новолновой полосы поглощения) зависит от длины системы со­пряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции l_mах. Кроме того, на положение l_mах (а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (ди­электрическая проницаемость гептана e = 1,9) l_mах = 436 нм, а в воде (e = 81) l_mах = 560 нм. Чувствительность параметров флу­оресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической про­ницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, использу­ется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в со­ответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называют флуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривен­ное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токси­чен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции (около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают не­видимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в иссле­дуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуорес­центно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспен­зии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному анти­телу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенных клонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электри­ческий разряд в парах ртути при низком давлении (электролю­минесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

Изменяя состав люминофора, мож­но подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. -24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соот­ветствуют спектру паров ртути, излу­чение которых частично проходит че­рез люминофор.

§ 24.7. Хемилюминесценция

Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождаю­щее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбуж­денном состоянии (обозначается звездочкой):

А + В -> Р* + другие продукты

Р* -> Р + hv (хемилюминесценция)

Среди огромного разнообразия химических реакций лишь еди­ничные сопровождаются излучением в видимой или ультрафиоле­товой областях спектра, которое удается измерить. Наиболее изу­чены следующие типы процессов, сопровождающихся свечением.

Биолюминесценция — яркое, видимое простым глазом свече­ние некоторых бактерий, простейших, ракообразных, червей, моллюсков, рыб. Хорошо известна биолюминесценция светляков. Биолюминесценция обусловлена определенными ферментативны­ми реакциями.

Хемилюминесценция в системах, содержащих активные фор­мы кислорода: пероксид водорода, супероксидный и гидроксидный радикалы, синглетный (электронно-возбужденный) кислород.

Хемилюминесценция сопровождает реакции цепного (свободнорадикального, пероксидного) окисления органических соедине­ний. Основной вклад в слабую хемилюминесценцию (раньше ее называли сверхслабым свечением) тканей, гомогенатов, раство­ров и суспензий полиненасыщенных жирных кислот дает свече­ние, сопровождающее пероксидное окисление липидов.

Хемилюминесценция при реакциях свободных радикалов, об­разовавшихся при действии физических факторов подразделя­ется на следующие виды: радиохемилюминесценция (при воздей­ствии ионизирующего излучения); фотохемилюминесценция (после облучения видимым или УФ-светом); электрохемилюми-несценция (при пропускании электрического тока через раство­ры); сонолюминесценция (при воздействии ультразвука); трибо-люминесценция (при перемешивании растворов) и др.

При облучении (или освещении) веществ в твердой фазе (как ча­стный случай — при облучении биологических объектов, суспен­зий или растворов, замороженных жидким азотом) подвижность свободных радикалов резко ограничивается. Их реакции и сопутст­вующая хемилюминесценция активируются при нагревании и раз­мягчении среды. Такое свечение называют термолюминесценцией.

Измерение характеристик хемилю-минесценции — удобный метод конт­роля за течением химических реак­ций, сопровождающихся свечением, и, следовательно, может использо­ваться для изучения кинетики и меха­низма реакций. Регистрация хемилю-минесценции в ряде случаев является наиболее чувствительным методом об­наружения свободных радикалов.

На рис. 24.13 показана хемилюминесценция плазмы крови при выведении в нее ионов двухвалент­ного железа. Железо инициирует пероксидное окисление липидов. Кванты хемилюминесценции излучаются триплетными возбуж­денными кетонами, образующимися при рекомбинации пероксид-ных свободных радикалов (обозначены жирными точками)

Хемилюминесценция фагоцитирующих клеток крови при до­бавлении к ним различных образцов промышленной пыли значи­тельно различается: по характеру кривых свечения клеток можно оценивать токсичность пыли. Токсичная пыль активирует фер­ментативную систему клеток, вырабатывающую супероксидные О^*₂ и гидроксильные ^*ОН радикалы и другие активные формы кислорода. Активность фагоцитирующих клеток также резко ме­няется при ишемической болезни сердца, инфаркте и других за­болеваниях, поэтому хемилюминесценция этих клеток использу­ется как диагностический метод.

§ 24.8. Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике.

Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом (рис. 24.14, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное (рис. 24.14, б) — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии (23.31). При вынужденном (индуцированном) излучении число пе­реходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попа­дающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию (Е_о — основное состояние, Е _1, Е₂, ..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, N_i — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система нахо­дится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее час­то встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, глав­ным образом, с невозбужденными молекулами и будет происхо­дить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном со­стоянии (рис. 24.14, в), и вынужденное излучение, если частица возбуждена (рис. 24.14, б). Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера (24.3) kl < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положи­тельной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируе­мого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми воз­бужденными атомами. Для реализации такого процесса актив­ную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обыч­но из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превра­щая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.¹. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер² с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазе­ра. Рубин — это кристалл окиси алюминия А1₂О₃, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг³⁺. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с по­мощью импульсных источников света большой мощности.

В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, располо­женные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 24.16). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хоро­шо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптиче­ского отражателя заключается в том, что свет, вышедший из од­ного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, по­падает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 24.17, а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с ос­новного уровня 1в короткоживущее возбужденное состояние З³. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанно­го излучательного перехода относительно мала. Поэтому происхо­дит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных усло­виях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и со­провождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резо­наторе лазера есть два зеркала (см. рис. 24.16), одно из которых имеет коэффициент отражения интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), дру­гое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на не­го излучения (R < 100%).

Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверх­ности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отра­жаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь на­ибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зер­кало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, са­марий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24.17, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживу-щим уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-не-оновАй, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в со­отношении 10 : 1 и давлении около 150 Па. Излучающими явля­ются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24.17, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населен­ность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. За­селение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При элект­рическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни око­ло 10^-3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с не­возбужденным атомом неона происходит передача энергии, в ре­зультате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона вре­мя жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного пере­хода его атомов в основное состояние при соударениях со стенка­ми разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверс­ная населенность уровней 2 и 3 неона.