Принцип действия лазеров

Рассмотрим ансамбль, состоящий из N атомов в единице объема, на который действует электромагнитное излучение с частотой и спектральной плотностью потока r_w. Число поглощенных ансамблем фотонов за время ∆t равно числу переходов атомов с уровня n на уровень m r_wB_nmN_ndt.При этом поглощенная ансамблем энергия

.

Общее число переходов атомов с уровня m на уровень n, как спонтанных, так и вынужденных, за то же время равно r_wB_mnN_mdt + A_mnN_mdt. Так как A_mn << B_mn, то излученная энергия

.

Если dЕ_изл. > dЕ_погл., то произойдет усиление интенсивности падающей на систему электромагнитной волны, т.е. условием усиления является:

> ,

подставив B_mn, имеем: N_m > N_n(g_m/g_n) . При невырожденных энергетических уровнях g_m = g_m =1, и

N_m > N_n (11.4)

- число атомов на верхних уровнях m (в возбужденном состоянии) должно быть больше чем на нижнем (в основном состоянии). Это основное условие, которое лежит в основе работы всех лазеров.

В случае, когда N_m < N_n,в ансамбле молекул в большей мере будут осуществляться переходы с нижнего уровня на верхний при поглощении фотонов, чем с верхнего на нижний. При этом ансамбль молекул окажется поглощающей средой, ослабляющей проходящую через него электрическую волну.

Мгновенная мощность излучения ансамблем атомов при наличии поглощения будет равна

dЕ/dt= (B_mnN_m - B_nmN_n)r_w,

при g_m = g_m = 1 имеем

dЕ/dt= (N_m - N_n)B_mn r_w -

-мощность излучения пропорциональна разности населенности энергетических состояний.

Таким образом, для создания квантового генератора необходимо выполнения условия (11.4), при котором населенность верхнего уровня выше, чем нижнего (инверсная заселенность). Для этого ансамбль необходимо подвергнуть соответствующему воздействию, которое приведет к должному перераспределению частиц по энергиям. Такое воздействие называется накачкой и сводится к возбуждению частиц ансамбля.

Если после накачки и осуществления инверсии ансамбль подвергнуть в каком-либо направлении облучению потоком фотонов слабой интенсивности, но имеющим частоту, равную частоте рабочего перехода с уровня m на уровень n, то в результате взаимодействия с частицами ансамбля произойдет их размножение. Действительно, взаимодействие какого-либо фотона частоты с возбужденной частицей приведет к вынужденному излучению фотона такой же частоты распространяющегося в том же направлении. В результате акта взаимодействия окажется уже два фотона, которые, распространяясь дальше и встретив соответственно два возбужденных атома, порождают еще два фотона, и т.д. В таком размножении будут участвовать все взаимодействующие с частицами фотоны потока электромагнитной энергии, которым был освещен ансамбль. В результате на выходе из области, где был расположен ансамбль рабочих молекул, интенсивность пучка света будет значительно превосходить интенсивность на входе, т.е. происходит усиление электромагнитной волны при индуцированном излучении.

Среда, в которой происходит усиление излучения, называется оптически активной.

Если излучение пройдет слой dx активной среды, то приращение интенсивности на пути dx равно:

(здесь r_w = I/c). Интегрируя, находим изменения интенсивности на пути L: