Типы энергетических уровней активных центров

Выше говорилось лишь о таком механизме излучения, при котором атом переходит на более низкий энергетический уровень без всякого внешнего толчка, самопроизвольно, или, как говорят, спонтанно. Поэтому и сам переход, и сопровождающее его излучение носят случайный характер. Именно вследствие этого излучение обычных источников света (ламп накаливания, газоразрядных и т.д.), которое складывается из излучений отдельных атомов, не монохроматично, не направленно, не когерентно и не поляризовано

Однако спонтанный механизм излучения не является единственно возможным. Переход с одного уровня, в том числе и с нестабильного, на более низкий может быть ускорен путем какого-либо энергетического воздействия на атомы, например, воздействия внешней электромагнитной волны с частотой, равной частоте перехода. Особенность таких вынужденных (индуцированных) переходов состоит в том, что излучаемый при этом фотон абсолютно неотличим от вызывающего этот переход первичного фотона, т.е. индуцированное электромагнитное излучение тождественно совпадает по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации с первичным падающим на вещество излучением. Именно эта замечательная особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления электромагнитных волн. Возможность усиления покажем на следующем примере.

Рассмотрим вещество, в котором имеется достаточное число возбужденных атомов с энергией Е_п. число таких атомов N_n называется населенностью уровня E_n . пусть N_m - населенность нижележащего энергетического уровня Е_т (Е_т < Е_п). В естественных условиях (при термодинамическом равновесии) в веществе уровни с меньшей энергией заселены больше, чем уровни с большей энергией, т.е. N_n < N_m. Под влиянием падающей электромагнитной волны с частотой может возникнуть либо поглощение атомом, находящимся на уровне Е_т, кванта энергия при переходе другого атома, находящегося на уровне Е_п, на уровень Е_т.. Вероятности переходов каждого атома под влиянием излучения с уровня на уровень в обоих направлениях Е_т Е_п равны. Но, поскольку населенность низшего уровня N_m. Больше, чем верхнего, то под влиянием падающего излучения большее число атомов переходит в единицу времени с уровня Е_т на Е_п, чем наоборот. Этим и объясняется тот факт, что в обычных условиях вещество поглощает падающее на него излучение.

Теперь рассмотрим случай, когда населенность верхнего энергетического Е_п уровня превышает населенность нижнего уровня Е_т (N_n < N_m.). В этом случае по мере прохождения электромагнитной волны через вещество будет происходить ее усиление, благодаря тому, что под влиянием падающего излучения количество вынужденных переходов с уровня Е_п на Е_п будет превосходить число атомов поглощения Е_т →Е_п.

Таким образом, для усиления электромагнитного излучения необходимо искусственно изменить населенность уровней в веществе так, чтобы населенность вышележащего энергетического уровня была бы выше, чем нижележащего. Такое неравновесное состояние вещества называется активным (или состоянием с инверсией населенности), а само вещество – активным.

Приборы, использующие индуцированное излучение, могут работать, как и в режиме усиления, так и в режиме ускорения электромагнитной волны. В соответствии с этим они называются либо квантовыми усилителями, либо квантовыми генераторами. Последние подразделяют на лазеры – генерирование видимого света и мазеры – генерирование инфракрасного света и радиоволн.

Как и в классическом ламповом генераторе, состоящим из резонансного колебательного контура, электронной лампы и источника питания, в квантовом генераторе – лазере – можно выделить три основных элемента: резонатор, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, активная среда, обеспечивающая усиление излучения и источник энергии, создающей инверсную населенность. В качестве резонатора берут систему из двух параллельных зеркал. Такой резонатор не похож на классический колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Тем не менее, обе эти системы выполняют примерно одну и ту же функцию в схеме генератора электромагнитных колебаний, только каждая из них приспособлена для своего диапазона частот.

Активной средой может являться твердое тело, жидкость или газ, вследствие чего различают твердотельные, жидкостные и газовые лазеры.

Источник энергии и метод перевода вещества в активное состояние различны для каждого типа лазера в зависимости от вида активной среды.

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы твердотельного лазера на кристалле рубина (рис. 3).