ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Молекулам и атомным комплексам кристаллам присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода.
Прежде всего различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области энергетические зоны. Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы с одного энергетического уровня на другой более или менее запрещены, т. е. они не должны иметь места эти запреты надо понимать не совсем буквально. В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера - в рубиновом лазере.
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома основной уровень и состояние. Переход с уровня на основной, строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне мог бы быть устойчивым.
Практически, однако, этого не происходит находящийся на уровне электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях это - длительное время. Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера оно придает метастабильному состоянию свойства накопителя энергии.
Если стержневидный рубиновый кристалл с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня переносятся в энергетическую зону не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону, но это в данном случае несущественно. Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден накачан, более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей электронами энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень, первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят.
Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается. С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов.
Такой атом случайно переходит из состояния в состояние и при этом отдает энергию излучения - сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий и и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.
Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об усилении света индуцированной эмиссией излучения. Отсюда произошло слово LASER light amplification by stimulated emission of radiation. Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью.
Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов. Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.
В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате Nd-YAG , ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат с примесью неодима.
Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 - 810 нм, основной лазерный переход - на 1064 нм. Возбуждаемы также и другие переходы. 3.3