Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения — оптических квантовых генераторах, или лазерах.Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне).
Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. Более точная классификация учитывает также и методы накачки — оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации — непрерывный или импульсный.
Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).
Первым твердотельным лазером , работающим в видимой области спектра , был рубиновый лазер . В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме.
Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы, атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3(рис. 14). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало, то осуществляются либо спонтанные переходы 3 → 1, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2 → 1 запрещен правилами отбора. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности на качки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем па уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.
Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2→ 1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами.
 |
Рис. 14
Для выделения направления лазерной генерации используется принципиально важный элемент лазера оптический резонатор. Впростейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда. Как правило, зеркала изготовляются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе – полупрозрачно. . Таким образом, оптический резонатор «выясняет» направление (вдоль оси) усиливаемого; фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.
Лазерное излучение обладает следующими свойствами:
1. Временная и пространственная когерентность. Время когерентности составляет 10-3 с, что соответствует длине когерентности порядка 105 м (lког. = с τког), т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.
2. Строгая монохроматичность (Δλ< 10-11 м).
3. Большая плотность потока энергии. Если, например, рубиновый стержень при накачке получил энергию W = 20 Дж и высветился за 10-3 с, то поток излучения Фе = 20/10-3 Дж/с = 2·104 Вт. Фокусируя это излучение на площади 1 мм2, получим плотность потока энергии Фе/S = 2·104 / 10-6Вт/м2 = 2·1010 Вт/м2.
4. Очень малое угловое расхождение в пучке. Например, при использовании специальной фокусировки луч лазера, направленный с Земли, даст на поверхности Луны световое пятно диаметром примерно 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром примерно 40 000 км).
К. п. д. лазеров колеблется в широких пределах от 0,01 % (для гелий-неонового лазера) до 75% (дли лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров к. п. д. составляет 0,1 – 1%. Создан мощный СО2-лазер непрерывно: о действия, генерирующий инфракрасное излучение λ = 10,6 мкм). к. п. д. которого (30 %) превосходит к. п. д. существующих лазеров, работающих при комнатной температуре.
