Т.к. населенности возбужденных уровней обычно малы по сравнению с населенностью основного, нижнего уровня (т.е. n1 n2, n - число частиц на уровне), преобладающими являются поглощение и последующее спонтанное излучение.
Можно получить искусственно термодинамически неравновесную среду, для которой n2 станет больше n1. Такая среда называется активной или средой с инверсной заселённостью по отношениям к энергетическим уровням E2 и E1 (слово "инверсия" означает перестановку, изменение обычного порядка). Только в этом случае, когда происходит заметное накопление частиц на возбужденном уровне, число актов поглощения уменьшается, а вынужденное испускание становится определяющим. Следствием существования данной ситуации является преимущественное усиление, а не поглощение падающей на инверсную среду световой волны. Идея создания активных сред и использования индуцированного излучения для усиления света впервые была высказана в 1939 г. советским физиком В.А.Фабрикантом.
В настоящее время известно много различных способов получения инверсии. Чаще всего она образуется за счёт поглощения световых квантов или за счёт энергии потока электронов в электрическом разряде, переводящих при соударениях атомную систему в возбужденное состояние. В первом случае говорят об оптической, во втором - об электрической накачке.
Т.к. вынужденное испускание - процесс обратный поглощению, рост интенсивности световой волны по мере прохождения ею интенсивной среды может быть описан соотношением, подобным закону Бугера:
)
где Kус> 0 - коэффициент усиления среды, l- длина усиливающего слоя, I0 - интенсивность внешнего потока излучения, I - интенсивность света, вышедшего из слоя. График зависимости Il от l дан на рис.2.
В формуле (1) предполагается, что на усиливающий слой падает поток света интенсивности I0. Однако его можно специально не создавать, т.к. необходимые фотоны (иногда их называют затравочными) образуются в самой системе в результате спонтанного излучения. Именно последняя ситуация реализуется в лазере.
Увеличение интенсивности светового потока по мере его распространения внутри усиливающего вещества иллюстрируется рис.3
Рис. 3.
В невозбужденном состоянии частицы вещества (черные шарики) находятся, в основном, на нижнем уровне (рис.3а), когда начинается накачка, происходит инверсия заселенности (рис. 3б). Пусть какая-либо частица излучает спонтанно фотон. Он способен стимулировать излучение других частиц, ведущее к образованию потока усиливающейся радиации (рис. 3в).
Для получения больших значений I при небольших I0 и ограниченных Kус необходимы слои активной среды очень большой длины. Это практически не осуществимо. Поэтому обычно активное вещество помещают между двумя строго параллельными зеркалами с определенными коэффициентами отражения, образующими устройство, называемое резонатором. Его роль, прежде всего, заключается в искусственном удлинении пути, проходимом светом внутри усиливающей среды.
Рассмотрим принципиальное устройство оптического квантового генератора (лазера) (рис.4). Он состоит из активного вещества 1 (кристаллического стержня или трубки с газом), системы накачки 2 (на рис.4 - это две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор. Как правило, коэффициент отражения одного из зеркал равен 100% (оно называется глухим), второго (выходного) - меньше 100%. Допустим, что коэффициент отражения зеркала 3 равен 100%, а 4 - 99%,усиление светового потока за один проход активной среды равно, например, 10.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.