Теоретическая часть. Лазером называется генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, принцип действия которого основан на использовании вынужденного излучения

Лазером называется генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, принцип действия которого основан на использовании вынужденного излучения. Структурная схема лазера включает три основных элемента: лазерную активную среду, систему накачки и оптический резонатор.

Работа лазеров основана на использовании запасов внутренней энергии атомов или молекул вещества, образующих микросистемы. В любых микросистемах элементарные частицы вещества находятся в непрерывном движении, взаимодействуя друг с другом и с внешними электромагнитными полями. Эти состояния описываются законами квантовой механики. Основными свойствами квантовых систем является дискретность (прерывность) их энергетических состояний. Дискретные значения внутренней энергии квантовой системы называются энергетическими уровнями. Энергетический уровень, соответствующий наименьшей внутренней энергии, называются основными, а остальные - возбужденными. Число частиц в единице объема N_к возбужденных на уровень с энергией Е называется населенностью данного уровня. Если одному уровню энергии соответствуют несколько различных устойчивых состояний частицы, то уровень называется вырожденным, а соответствующие ему устойчивые состояния с одинаковой энергией называются вырожденными состояниями. Число g различных состояний с одинаковой энергией называется степенью вырождения или статическим весом.

Переход частицы из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией может быть ускорен внешним электромагнитным излучением. В этом случае квантовый переход и возникающее излучение называется вынужденным.

Характерной особенностью вынужденного излучения является его полная тождественность внешнему излучению по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации. В процессе вынужденного излучения к одному фотону, стимулирующему переход, добавляется абсолютно тождественный фотон, излучаемый во время этого перехода.

При прохождении электромагнитной волны через среду возможны и обратные переходы, при которых фотоны с энергией исчезают. Переходы, связанные с резонансным поглощением излучения, называются вынужденными переходами с поглощением и характеризуются коэффициентом Эйнштейна В.

При учете потерь излучения за счет поглощения и рассеяния на неоднородностях среды, характеризуются коэффициентом потерь β.

Таким образом, для усиления излучения необходимо создать «активную» среду, т.е. среду с инверсной населенностью, в которой коэффициент усиления превышает коэффициент потерь в среде.

Коэффициент усиления зависит в общем случае от частоты и интенсивности излучения. Зависимость α (ν) достигает максимума при ν =ν ₀.

Зависимость α от интенсивности распространяющегося в инверсной среде излучения приводит к эффекту «насыщения усиления». Суть эффекта состоит в том, что по мере возрастания интенсивности вынужденного излучения происходит выравнивание населенностей лазерных уровней, насыщение инверсии населенностей и, следовательно, уменьшение коэффициента усиления α. При этом α стремится к некоторому предельному значению. Эффект насыщения ограничивает максимальную мощность излучения, которая может быть получена в активной среде.

Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой, а физическая система, обеспечивающая этот процесс, - системой накачки.

Обычно населенность создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде (электрическая накачка).