Принцип действия лазера

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения.

Когда мы передаём атомам вещества энергию, атомы переходят в новое, возбуждённое состояние, в котором, однако, долго находиться не могут. Они «успокаиваются», испустив порцию энергии, - квант[4] света (фотон).

Каждый квант можно представить, как отрезок волны, летящие со скоростью света. Любая волна характеризуется своей длиной. От длины волны кванта зависит, сколько энергии он может с собой унести: чем меньше длина волны, тем эта энергию больше. Энергия фотона равна разности начального и конечного уровней:

hn = E_m – E_n

где h = 6,626176·10–34 Дж·с– постоянная Планка, n – частота излучения.

Длина волны красного света больше, чем голубого, и энергии соответственно красный свет несёт меньше. Чем больше излучается квантов, тем ярче делается свечение.

В сильно нагретом веществе возбужденные атомы сами воздействуют друг на друга, так что на любом, даже самом маленьком участке поверхности длина световой волны и сила излучения постоянно меняются. Атомы отдают свой свет не согласованно. Такое излучение называется некогерентным.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома, определяемой формулой:

n₂₁ = (E₂ – E₁)/h.

С помощью такой волны и можно достигнуть инверсной населённости уровней в веществе, условно это можно представить как будто волна «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов. Излучение этих волн монохроматично.

Условие инверсии может быть выполнено для фотонов в некоторой спектральной полосе. Для получения эффекта лазерной генерации оптическое усиление должно компенсировать все потери потока фотонов в лазерном резонаторе, образуемого обычно собственно активной средой и зеркальными плоскостями.

Такая компенсация достигается прежде всего вблизи максимума усиления, если не применена дополнительная спектральная селекция, смещающая рабочую частоту лазера. На пороге генерации должны быть выполнены два условия - компенсация энергетических потерь за счёт оптического усиления и наличие положительной обратной связи за счёт частичного (или полного) отражения оптического потока от зеркал обратно в активную среду. Если R - коэффициент отражения и К - коэффициент усиления на длине активной среды между зеркалами, то условие генерации имеет вид

Значит, если накопить достаточно большое количество возбуждённых атомов, которые будут находиться в этом состоянии достаточно долго, и если создать мощный поток квантов, летящих в одном направлении, получим систему, способную генерировать когерентный свет, то есть оптический квантовый генератор или лазер.

Световые колебания называются монохроматическими(одноцветными), если длина их волн одинакова и со временем не меняется. Если к тому же они идут согласованно – свет будет когерентным.

Инверсная населённость - состояние вещества, при котором более высокие уровни энергии составляющих его частиц (атомов, молекул и т. п.) больше «населены» частицами, чем нижние. В обычных условиях (при тепловом равновесии) имеет место обратное соотношение: на верхних уровнях находится меньше частиц, чем на нижних.

Основное состояние, с энергией E₁, или

Возбуждённое состояние, с энергией E₂, причём E₂>E₁.

Количество атомов, находящихся в основном состоянии, примем равным N₁, а количество возбуждённых атомов — N₂.

Количество атомов в каждом состоянии можно найти по формуле

Таким образом, в случае термодинамического равновесия, состояние с низкой энергией намного популярней возбуждённого состояния, и это является нормальным состоянием системы. Если удастся каким-либо способом обратить ситуацию, т. е. сделать N₂/N₁ > 1, то тогда можно будет сказать, что система перешла в состояние с инверсией электронных населённостей.