Вынужденное излучение

В 1960 г. Нейман в США создал первый Оптический Квантовый Генератор – лазер (Lighte….).

Как мы говорили, свет частоты , совпадающий с одной из частот атомов вещества, при прохождении через вещество может вызвать два процесса:

1. Вынужденные переходы с поглощением света;

2. Вынужденные переходы с излучением света.

Изменение интенсивности исходного пучка зависит от того, какой из этих двух процессов преобладает.

В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов описывается распределением Больцмана:

(36.22)

– полное количество атомов;

– число находится в соответствии с энергией .

Из этого распределения вытекает, что населенность (число атомов в данном состоянии) энергетического уровня с ростом энергии уменьшается. А значит, среда в состоянии термодинамического равновесия будет в основном поглощать энергию излучения. Вероятность того, что фотон встретит атом в состоянии с минимальной энергией намного больше, чем вероятность встретить атом в возбужденном состоянии, способный испустить фотон.

Для усиления падающей волны необходимо создать инверсную населенность, т.е. такое состояние, когда в состоянии с большей энергией находится большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией . Такое состояние называется неравновесным, вследствие того, что может быть реализовано только в результате некоторого воздействия на вещество. Такому состоянию можно приписать отрицательную температуру, поскольку для него

что может быть только при условии . Вещество в состоянии инверсной населенности подобно горке песка, которая перевернута и стоит на вершине.

Создание лазера стало возможным после разработки методов создания инверсной населенности.

В лазере Меймана рабочим телом (т.е. усиливающей свет средой) был цилиндр длиной 5 см и диаметром 1 см. Торцы цилиндра отполированы и покрыты слоем серебра: один – толстым, другой – пропускал падающего света.

Особенностью использовавшегося рубина было наличие в нем небольшого количества ионов , которые в замещают атомы алюминия.

Атомы хрома при поглощении света переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии они способны отдать часть своей энергии кристаллической решетке и перейти в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому в метастабильном состоянии атом может находиться очень долго с. Это время в раз превышает время жизни в обычном возбужденном состоянии.

Вероятность спонтанного перехода из метастабильного состояния в основное, запрещенного правилами отбора, мала, но конечна. Вероятность вынужденного перехода значительно больше. Поэтому под действием фотонов с соответствующей длиной волны ионы хрома могут быстро перейти в основное состояние.

Рубин освещался импульсной ксеноновой лампой, свет которой поглощался атомами хрома и переводил их возбужденное состояние. Это обеспечивало создание инверсной населенности. Внешнее воздействие, обеспечивающее создание инверсной населенности называется накачкой. После создания инверсной населенности достаточно одного спонтанного перехода из состояния метастабильного состояния в основное, чтобы вызвать появление лавины фотонов в направлении первого фотона, поскольку излученный при этом фотон вызывает вынужденное излучение таких же фотонов. Зеркала на торцах кристалла обеспечивали создание выделенного в объеме кристалла направления. Фотоны, движущиеся вдоль оси кристалла, испытывают многократные отражения от этих зеркал. Поэтому путь их в кристалле оказывается большим, и они стимулируют новые переходы с излучением фотонов, движущихся вдоль оси кристалла. Фотоны испущенные в других направлениях вызывают появление быстро исчезающих лавин.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, излучая несколько импульсов в минуту, что объясняется сильным нагревом кристалла.

В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый гелий-неоновый лазер.

В 1963 г. – полупроводниковый.

Излучение лазера характеризуется:

1. Очень высокой монохроматичностью.

2. Большой временной и пространственной когерентностью.

3. Большой интенсивностью

4. Узостью пучка.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Донской государственный технический университет»
в г. Шахты Ростовской области

(ИСО и П (филиал) ДГТУ)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ЕНД

___________(П.Н. Козаченко)

« 04 » сентября 2013 г.