Введение. Лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ) – прибор, служащий для усиления света и генерации излучения с хорошей монохроматичностью

Лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ) – прибор, служащий для усиления света и генерации излучения с хорошей монохроматичностью, а также высокой пространственной и временной когерентностью.

При всём многообразии существующих лазеров, все они в своём составе в той или иной форме имеют следующие составные части.

1. Генератор накачки. Специальный прибор (как правило, источник излучения) служащий для перевода атомов или ионов активной среды в возбуждённое состояние.

2. Активная среда. Среда, в которой осуществляется инверсия населённости уровней. Инверсия населённости уровней – это такое состояние, при котором число атомов находящихся в состоянии с большей энергией превышает число атомов с меньшей энергией (в обычном веществе при термодинамическом равновесии, чем больше энергия уровня, тем меньше вероятность нахождения на этом уровне атома и, следовательно, меньше число атомов). Так же инверсия населённости уровней – это такое состояние, при котором число электронов в атоме находящихся в возбуждённом состоянии (т.е. состояние с энергией превышающей энергию электрона в основном состоянии) превышает число электронов находящихся в основном состоянии (состояние, соответствующее энергии электрона находящегося на верхней заполненной оболочке атома). Для осуществления инверсии населённости требуется каким-либо способом перевести электрон в метастабильное состояние. Метастабильное состояние – это такое возбуждённое состояние, в котором время нахождения электрона (приближённо 10^-3 с) много больше, чем в обычном возбуждённом состоянии (приближённо 10^-8 с). Наиболее известен способ получения инверсной населённости, называемый трёхуровневой системой. При этом метастабильное состояние создаётся за счёт того, что спонтанный переход из метастабильного состояния в основное (с энергией Е ₁) запрещён правилами отбора. Перевод электрона в метастабильное состояние проводится в два этапа: вначале проводится перевод в некое разрешённое промежуточное состояние (с энергией Е ₂), а затем из него в метастабильное (с энергией Е ₃) за счёт так называемого безызлучательного перехода, когда происходит «сброс» энергии в окружающую среду (кристаллической решётке, газу и т.д.). Схема такой системы показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема трёхуровневой системы получения инверсии

заселённости уровней

Недостатком такой системы является необходимость перевода с основного уровня более половины частиц, что требует высокой интенсивности возбуждающего излучения. Более эффективной является четырёхуровневая система создания инверсной населённости, изображённая на рис. 2. В этой системе между основным и метастабильным уровнями находится дополнительный уровень (с энергией Е ₄), с которого происходит быстрый переход на основной уровень. Если этот дополнительный уровень находится достаточно высоко над основным, то его населённость будет невысока и для получения инверсной населённости по отношению к нему потребуется меньшая населённость метастабильного уровня. Это, в свою очередь, приведёт к уменьшению мощности накачки.

Рис. 2. Схема четырёхуровневой системы получения инверсии

заселённости уровней

3. Резонатор. Специальный прибор, обладающий следующими функциями:

· осуществляет многократный проход излучения через активную среду, что позволяет существенно увеличить интенсивность излучения. Выход излучения из резонатора происходит при достижении излучения некоторой критической интенсивности;

· создаёт луч излучения, обладающий малой расходимостью. Такой луч создаётся за счёт того, что только фотоны, направление движения которых образуют малые углы с осью резонатора многократно проходят через активную среду;

· создаётся излучение с хорошей монохроматичностью (узкий спектр излучения). Это происходит из-за того, что в резонаторе усиливаются только те лучи, которые соответствуют геометрическим размерам резонатора (укладывается на длине резонатора целое число половин длины волны излучения).

Действие лазера основывается на вынужденном излучении. Вынужденное излучение – это излучение, происходящее при переходе электрона из возбуждённого состояния в основное под действием внешней электромагнитной волны. Причём переход осуществляется только в том случае, если энергия этой волны равна разности энергий возбуждённого и основного состояний. Вторичное излучение совпадает по фазе, частоте и направлению с первичным излучением и, следовательно, является когерентным ему. Для того чтобы происходило усиление световой волны, требуется пропускать её через активную среду. Для перевода электронов активной среды в возбуждённое состояние используется генератор накачки. Для этого применяются различные устройства, одним из которых является генератор электромагнитных волн, излучающий в широком диапазоне длин волн. Чтобы существенно усилить первичное излучение используется резонатор позволяющий осуществить многократный проход электромагнитной волны через активную среду и, кроме этого создать монохромотичный слабо расходящийся пучок электромагнитной волны. В качестве резонатора используются два зеркала, одно из которых начинает пропускать электромагнитную волну при достижении этой волной критического значения интенсивности.