Коротка теорія. Внутрішня енергія атомів і молекул являє собою дискретний набір енергетичних рівнів

Внутрішня енергія атомів і молекул являє собою дискретний набір енергетичних рівнів. При переході атомів із деякого рівня з енергією на рівень з енергією вони випромінюють (якщо ) або поглинають (якщо ) квант електромагнітного випромінювання, частота якого визначається співвідношенням:

. (1)

У речовинах атоми можуть мати звичайні та метастабільні енергетичні рівні. Якщо збуджений атом переходить на основний енергетичний рівень за час , то збуджений рівень називають звичайним. Якщо ж атом із збудженого стану переходить на основний за час , то збуджений рівень називається метастабільним.

Крім спонтанного (самодовільного) випромінювання та вимушеного поглинання, що падає на речовину, Ейнштейн в 1916 році теоретично передбачив можливість виникнення процесу вимушеного випромінювання. Таке випромінювання може реалізуватися в так званому активному підсилюючому середовищі з метастабільними енергетичними рівнями.

У звичайному стані термодинамічної рівноваги середовище характеризується зменшенням імовірності заселення атомами збуджених станів, тобто чим більша енергія стану, тим менша його заселенність атомами. Це означає що поглинання енергії атомами, буде переважати над вимушеним випромінюванням. При проходженні через таке середовище електромагнітної хвилі, вона буде втрачати енергію.

Щоб одержати підсилення падаючої хвилі при проходженні середовища, потрібно в ньому створити інверсну заселеність енергетичних рівнів – на рівнях із більшою енергією повинно бути більше атомів ніж на рівні з меншою енергією. Таке середовище будемо називати активним. Основною характеристикою активного середовища є підсилення падаючого випромінювання.

Як виявилося, інверсну заселеність можна створити лише при наявності у атомів метастабільних енергетичних рівнів із часом життя атомів на них у разів більшим ніж на звичайних енергетичних станах. Число атомів N₂ на збудженому метастабільному енергетичному рівні може бути значно більше числа атомів N₁ в основному стані. Переведення речовини в інверсний стан (N₂/N₁>1) називається накачкою активного середовища і вона може бути оптичною або електричною.

,

рівною різниці енергій рівнів С та B виникає індукований (стимульований) лавинний перехід середовища з рівня B на рівень C.

При проходженні квантів випромінювання через активне підсилююче середовище, його інтенсивність може різко збільшуватися без зміни частоти, поляризації та напрямку випромінювання. Збільшення інтенсивності відбувається за рахунок випромінювання нових фотонів тотожних тим фотонам , що викликають їх народження.

Якщо активне середовище помістити між двома плоскими дзеркалами (резонатор), то відбувається підсилення спонтанно народженого кванта (затравки) при багатократному проходженні ним активного середовища між дзеркалами. Якщо одне із дзеркал зробити напівпрозорим, то частина випромінювання буде виходити із системи, а інша повернеться до активного середовища і знову підсилиться. Таким чином створюється зворотний додатний зв’язок.

Підсилюючі системи випромінювання з трьома рівнями в оптичному видимому, інфрачервоному та ближньому ультрафіолетовому діапазоні називають лазерами від англійської абревіатури слів lіgcht amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon, а у мікрохвильовому та сантиметровому діапазоні радіохвиль – мазери від абревіатури слів mіcrowave amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon.

Уперше мазер у сантиметровому діапазоні був створений у 1953 році Басовим та Прохоровим (СРСР) і незалежно від них Таунсом (США). В 1960 році Мейман (США) створив перший твердотільний рубіновий () лазер. Перший газовий лазер на суміші гелій-неон був створений у 1961 р. Джаваном (США), а у 1963 році були створені перші напівпровідникові лазери.

Розглянемо, наприклад, дві установки вимушеного випромінювання.

1. Рубіновий лазер утворюється кристалом рубіна, що є оксидом алюмінію Al₂O₃ із домішкою оксиду хрому Сr₂O₃ у кількості від 0.03% до 0.05%. Певна частина атомів Al у решітці рубіна заміщена атомами Cr³⁺, які утворюють активне середовище. Верхній енергетичний рівень А (див.Мал.) утворюється двома широкими енергетичними смугами, а метастабільний рівень В утворюється двома близькими рівнями, переходи з яких на основний рівень C відповідають довжинам хвиль червоного світла 692,7 нм та 694,3 нм. Накачка відбувається зеленим світлом потужної імпульсної лампи, наповненої неоном та криптоном.

2. Гелій-неоновий лазер. Активним середовищем є плазма високочастотного газового розряду в суміші гелію з неоном. Рівнем С (див.Мал.) є рівень збудження гелію близький до метастабільного рівня неону, який є рівнем системи В. Рівнем А є один із нижніх рівнів неону й перехід атомів неону зі збудженого стану В на цей нижній дає лазерне випромінювання з довжиною хвилі 632,8 нм.

Властивості лазерного випромінювання.

· Часова когерентність складає t=10^-3 с, довжина когерентності l=10⁵ м (звичайні джерела світла мають t~10^-8 c, l=3 м).

· Монохроматичність, що вимірюється півшириною хвилі, складає Dl~10^-11 м.

· Надзвичайно велика потужність випромінювання.

Нехай активне середовище одержало енергію 20 Дж і висвітлило цю енергію за 10^-3 с, тобто створило потік енергії Ф=2×10⁴ Вт. Якщо сфокусувати це світло збірною лінзою на площу , то потік енергії на одиницю площі складе ¾ 20 гігават на 1м².

· Кутова розбіжність лазерного випромінювання така, що промінь лазера створює на Місяці пляму діаметром до 3 км, коли звичайний прожектор дасть пляму діаметром до 40 000 км.

· ККД лазерів за своїм типом може складати від 0,01% до 75%.