Природа світла. Спонтанне та вимушене випромінювання

Проходження випромінювання через речовину. Інверсне населеннярівнів.Знову розглянемо дворівневе середовище з енергетичними рівнями і . Якщо це середовище падає монохроматичне випромінювання з частотою

то при поширенні його на відстань dxЗміна спектральної щільності енергії буде пов'язана як з резонансним поглинанням, так і з індукованим (вимушеним) випромінюванням атомів системи. За рахунок індукованого випромінювання спектральна густина енергії у пучку зростає, причому це збільшення енергії має бути пропорційно:

.

Тут – розмірний коефіцієнт пропорційності.

Аналогічно за рахунок процесів поглинання фотонів спектральна густина енергії в пучку зменшується:

.

Складаючи і , знаходимо повну зміну щільності енергії:

Враховуючи рівність коефіцієнтів Ейнштейна та вводячи коефіцієнт поглинання a, записуємо це рівняння у вигляді

Вирішення цього диференціального рівняння має вигляд

Ця формула дає спектральну щільність енергії. uу пучку фотонів при проходженні ними шару речовини завтовшки x, де відповідає точці x = 0 .

В умовах термодинамічної рівноваги, відповідно до розподілу Больцмана, , тому коефіцієнт поглинання а позитивний () :

Таким чином, щільність енергії випромінювання, як видно з (6.18), зменшується в міру проходження через речовину, тобто світло поглинається. Однак, якщо створити систему, в якій , то коефіцієнт поглинання стане негативним і матиме місце не ослаблення, а посилення інтенсивності світла. Стан середовища, в якому називається станом з інверсною населеністю рівнів, а саме середовище називається тоді активним середовищем. Інверсна населення рівнів суперечить рівноважному розподілу Больцмана і може бути створена штучно, якщо система виведена зі стану термодинамічної рівноваги.

Це створює принципову можливість посилення та генерації когерентного оптичного випромінювання та використовується на практиці при розробці джерел такого випромінювання – лазерів.

Принцип роботи лазера.Створення лазера стало можливим після того, як були знайдені способи здійснення рівня інверсної населеності в деяких речовинах (активних середовищах). Перший практичний генератор у видимій області спектру був створений у (США Мейманом (1960)) на основі рубіну. Рубін є кристалічною решіткою , що містить невелику ( 0,03 % – 0,05 % ) домішка іонів хрому (). На рис. 6.1 представлена ​​схема енергетичних рівнів хрому ( трирівневе середовище). Широкий рівень використовується для збудження іонів хрому світлом потужної газорозрядної лампи з широкою смугою частот у зелено-блакитній області видимого світла. лампи накачування. Порушення іонів хрому за рахунок енергії накачування від зовнішнього джерела зображено стрілкою .

Мал. 6.1. Схема активного трирівневого середовища (рубін)

Електрони з короткоживучого рівня роблять швидкий ( c) безвипромінювальний перехід на рівень (зображений синьою стрілкою) . Енергія, що виділяється при цьому, не випускається у вигляді фотонів, а передається кристалу рубіна. При цьому рубін нагрівається, тому конструкції лазера передбачається його охолодження.

Час життя довгоживучого вузького рівня складає c, тобто на 5 порядків більше, ніж у широкосмугового рівня . При достатній потужності накачування число електронів на рівні (його називають метастабільним) стає більше, ніж на рівні , тобто створюється інверсна населеність між «робочими» рівнями та .

Випромінений при спонтанному переході між цими рівнями фотон (зображений штриховою стрілкою) індукує випромінювання додаткових (вимушених) фотонів - (перехід показаний стрілкою), які у свою чергу викликають індуковане випромінювання цілого каскаду фотонів із довжиною хвилі.

приклад 1.Визначимо відносну населеність робочих рівнів у кристалі рубіна за кімнатної температури в умовах термодинамічної рівноваги.

Виходячи з довжини хвилі, що випускається рубіновим лазером, знаходимо різницю енергій:

.

При кімнатній температурі Т = 300 Кмаємо:

З розподілу Больцмана випливає тепер

.

Реалізація активного середовища з інверсною населеністю рівнів – це лише половина справи. Для роботи лазера необхідно створити умови для генерації світла, тобто використовувати позитивний зворотний зв'язок. Активне середовище саме собою здатне лише посилювати проходить випромінювання. Для здійснення режиму генерації необхідне посилення індукованого випромінювання, яке компенсувало б всі втрати в системі. Для цього активну речовину поміщають у оптичний резонатор, утворений, як правило, двома паралельними дзеркалами, одне з яких напівпрозорим і служить для виведення випромінювання з резонатора. Конструктивно в перших лазерах на рубіні використовувалися кристали циліндричної форми завдовжки 40 ммта діаметром 5 мм. Торці були відполіровані паралельно один до одного і служили дзеркалами резонатора. Один з торців був срібний так, що коефіцієнт відбиття був близький до одиниці, а інший торець був напівпрозорим, тобто мав коефіцієнт відбиття менше одиниці, і використовувався для виведення випромінювання з резонатора. Джерелом збудження була потужна імпульсна ксенонова лампа, що обвиває рубін спіраллю. Влаштування рубінового лазера схематично представлено на рис. 6.2.

Мал. 6.2. Влаштування рубінового лазера: 1- рубіновий стрижень; 2- імпульсна газорозрядна лампа; 3- напівпрозоре дзеркало; 4- Дзеркало; 5- індуковане випромінювання

При достатній потужності лампи накачування більшість (близько половини) іонів хрому перетворюється на збуджений стан. Після того, як досягається інверсна населеність для робочих рівнів з енергією і , перші спонтанно випромінювані фотони, відповідні переходу між цими рівнями, немає переважного напрями поширення і викликають індуковане випромінювання, поширюється також у всіх напрямах у кристалі рубіна. Нагадаємо, що фотони, що виникають при вимушеному випромінюванні, летять у тому ж напрямку, що і фотони, що падають. Фотони, напрями руху яких утворюють малі кути з віссю кристалічного стрижня, зазнають багаторазових відбитків від його торців. Фотони ж, що розповсюджуються в інших напрямках, виходять із кристала рубіну через його бічну поверхню і не беруть участь у формуванні випромінювання, що виходить. Так у резонаторі генерується вузький пучок світла, а багаторазове проходження фотонів через активне середовище індукує випромінювання нових і нових фотонів, посилюючи інтенсивність вихідного пучка.

Генерація світлового випромінювання рубіновим лазером показано на рис. 6.3.

Мал. 6.3. Генерація випромінювання рубіновим лазером

Таким чином, оптичний резонатор виконує дві функції: по-перше, створює позитивний зворотний зв'язок і по-друге, формує вузький спрямований пучок випромінювання з певною просторовою структурою.

У розглянутій трирівневій схемі до створення інверсної населеності між робочими рівнями потрібно порушити досить велику частку атомів, що потребує значних витрат енергії. Більш ефективною є чотирирівнева схема, яка застосовується у твердотільних лазерах, наприклад, з використанням іонів неодиму. У найбільш поширеному газовому лазері на нейтральних атомах - гелій- неоновий лазер - також виконуються умови для генерації за чотирирівневою схемою. Активним середовищем у такому лазері є суміш інертних газів. - гелію та неону з енергією основного стану (яку ми приймаємо за нульовий рівень). Накачування здійснюється у процесі електричного газового розряду, завдяки якому атоми переходять у збуджений стан з енергією. . Рівень в атомах неону (рис. 6.4) близький до рівня в гелії і при зіткненні атомів гелію з атомами неону енергія збудження може бути ефективно передана останнім без випромінювання.

Мал. 6.4. Схема рівнів Не- Ne-лазера

Таким чином, рівень неона виявляється більш населеним, ніж нижчий рівень . Перехід між цими робочими рівнями супроводжується випромінюванням із довжиною хвилі 632.8 нм, яка є основною в промислових Ні-Ne-лазерах. На рівні атоми неону довго не затримуються, швидко повертаючись до основного стану. Зауважимо, що рівень в неоні заселений вкрай незначно, і тому для створення інверсної населеності між і треба порушити невелику кількість атомів гелію. Це вимагає набагато менших витрат енергії як на накачування, так і на охолодження установки, що характерне для чотирирівневої схеми генерації. Для лазерної генерації можуть бути використані інші рівні неону (не показані на рис. 6.4), що дають випромінювання як у видимому, так і в ІЧ-діапазоні, причому гелій використовується тільки для процесу накачування.

приклад 2.Знайдемо відносну рівноважну населеність рівня у неоні при кімнатній температурі.

Це завдання відрізняється від попереднього лише чисельними значеннями. Для різноманітності проведемо обчислення у електрон-вольтах. Виразимо спочатку в цих одиницях постійну Больцмана:

так що при кімнатній температурі

.

Тепер легко знаходимо

Таке мале число з практичної точки зору не відрізняється від нуля, тому навіть при слабкому накачуванні створюється інверсна населеність між рівнями і .

Випромінювання лазерів відрізняється характерними рисами:

високою тимчасовою та просторовою когерентністю (монохроматичність випромінювання та мала розбіжність пучка);

високою спектральною інтенсивністю.

Характеристики випромінювання залежать від типу лазера та режиму роботи, проте можна відзначити деякі близькі до граничним значенняпараметрів:

Короткі (пікосекундні) імпульси лазера незамінні щодо швидкоплинних процесів. В імпульсі може розвиватися надзвичайно висока пікова потужність (до кількох ГВт), що дорівнює потужності кількох блоків АЕС по мільйон кВт кожен. При цьому випромінювання може бути зосереджено у вузькому конусі. Такі пучки дозволяють, наприклад, приварювати сітківку до очного дна.

Типи лазерів.В рамках курсу загальної фізики ми не можемо докладно зупинитися на специфічних особливостях і технічні застосуваннялазерів різних типів з огляду на їх надзвичайне різноманіття. Обмежимося лише досить коротким оглядом типів лазерів, що відрізняються характеристиками активного середовища та способами накачування.

Твердотільні лазери.Зазвичай вони бувають імпульсними, першим таким лазером був описаний вище за рубіновий. Популярні лазери на склі з неодимом як робоча речовина. Вони генерують світло з довжиною порядку хвилі 1,06 мкм, мають великі розміри та пікову потужність до ТВт. Можуть бути використані для експериментів з керованого термоядерного синтезу. Приклад – величезний лазер «Шива» у Ліверморській лабораторії у США.

Дуже поширені лазери на ітрій-алюмінієвому гранаті з неодимом (Nd:YAG), що випромінюють в ІЧ-діапазоні на довжині хвилі мкм. Вони можуть працювати як у безперервному режимі генерації, так і в імпульсному, з частотою повторення імпульсів до кількох кГц (для порівняння: у рубінового лазера – 1 імпульс у кілька хвилин). Мають широкий спектр застосувань в електронній техніці (лазерна технологія), оптичній локації, медицині та ін.

Газові лазери.Зазвичай це лазери безперервної дії. Відрізняються правильною просторовою структурою пучка. Приклад: гелій-неоновий лазер, що генерує світло на довжинах хвиль 0,63 , 1,15 і 3,39 мкмта має потужність порядку мВт. У техніці широко використовується - лазер з потужністю порядку кВт та довжинами хвиль 9,6 і 10,6 мкм. Один із способів накачування газових лазерів – електричний розряд. Різновид лазерів з активним газовим середовищем - хімічні та ексімерні лазери.

Хімічні лазери.Інверсна населеність створюється у процесі хімічної реакції між двома газами, наприклад воднем (дейтерієм) та фтором. В основі лежать екзотермічні реакції

.

Молекули HFвже народжуються із збудженням коливань, що одразу створює інверсну населеність. Робоча суміш, що утворилася, пропускається з надзвуковою швидкістю через оптичний резонатор, в якому у вигляді електромагнітного випромінювання виділяється частина накопиченої енергії. За допомогою системи дзеркал резонатора це випромінювання фокусується у вузький промінь. Такі лазери випромінюють більшу енергію (більше 2 кДж), тривалість імпульсу близько 30 нс, потужність до Вт. ККД (хімічний) досягає 10 % , в той час як зазвичай для інших типів лазерів - частка відсотка. Довжина хвилі, що генерується. 2,8 мкм(3,8 мкмдля лазерів на DF).

З численних типів хімічних лазерів найперспективнішими визнано лазери на фтористому водні (дейтерії). Проблеми: випромінювання лазерів на фтористому водні із зазначеною довжиною хвилі активно розсіюється молекулами води, що завжди є в атмосфері. Це набагато послаблює яскравість випромінювання. Лазер на фтористому дейтерії працює на довжині хвилі, для якої атмосфера практично прозора. Однак питоме енерговиділення таких лазерів у півтора рази менше, ніж у лазерів HF. Це означає, що з використанням їх у космосі доведеться виводити набагато більше хімічного палива.

Ексимерні лазери.Молекули ексимера - це двоатомні молекули (наприклад, ), які можуть бути лише у збудженому стані - незбуджений стан вони виявляється нестійким. З цим пов'язана основна особливість ексімерних лазерів: основний стан ексимерних молекул незаповнений, тобто нижній робочий лазерний рівень завжди виявляється порожнім. Накачування здійснюється імпульсним електронним пучком, який переводить значну частину атомів у збуджений стан, в якому вони об'єднуються в ексимерні молекули.

Оскільки перехід між робочими рівнями є широкосмуговим, можлива перебудова частоти генерації. Лазер надає випромінювання, що перебудовуються в області УФ ( нм) і має високу ефективність ( 20 % ) перетворення енергії. В даний час ексимерні лазери з довжиною хвилі. 193 нмвикористовуються в офтальмологічній хірургії для поверхневого випаровування (абляції) рогівки.

Рідкісні лазери.Активна речовина в рідкому стані однорідна і допускає циркуляцію з метою охолодження, що створює переваги перед твердотілими лазерами. Це дозволяє отримати великі енергії та потужності в імпульсному та безперервному режимах. У перших рідинних лазерах (1964-1965) використовувалися сполуки рідкісноземельних елементів. На зміну їм прийшли лазери на розчинах органічних барвників.

У таких лазерах зазвичай використовується оптичне накачування випромінювання інших лазерів видимого або УФ-діапазону. Цікавою властивістю лазерів на фарбниках є можливість перебудови частоти генерації. Підбором барвника можна отримати генерацію на будь-якій довжині хвилі від ближнього ІЧ до ближнього УФ-діапазону. Це пов'язано з широкими суцільними коливально-обертальними спектрами молекул рідини.

Напівпровідникові лазери.В окремий клас виділяються твердотільні лазери на напівпровідникових матеріалах. Накачування проводиться бомбардуванням пучком електронів, потужним лазерним опроміненням, але найчастіше – методами електроніки. У напівпровідникових лазерах використовуються переходи між дискретними рівнями енергії окремих атомів чи молекул, а між дозволеними енергетичними зонами, тобто сукупностями близько розташованих рівнів (про енергетичні зони в кристалах докладніше йдеться у наступних розділах). Використання різних напівпровідникових матеріалів дозволяє отримувати випромінювання на довжинах хвиль від 0,7 до 1,6 мкм. Розміри активного елемента надзвичайно малі: довжина резонатора може бути меншою. 1 мм.

Типова потужність близько кількох кВт, тривалість імпульсу близько 3 нс, ефективність досягає 50 % мають широке застосування (волоконна оптика, зв'язок). Можуть бути використані для проектування телевізійного зображення на екрані.

Лазери на вільних електронах.Пучок високоенергетичних електронів пропускається через «магнітний гребінець» - просторово-періодичне магнітне поле, що змушує електрони коливатися із заданою частотою. Відповідний пристрій - ондулятор - є рядом магнітів, які розташовуються між секціями прискорювача, так що релятивістські електрони рухаються вздовж осі ондулятора і здійснюють поперечні їй коливання, випромінюючи первинну («спонтанну») електромагнітну хвилю. У відкритому резонаторі, куди далі надходять електрони, спонтанна електромагнітна хвиля посилюється, створюючи спрямоване когерентне лазерне випромінювання. Головна особливістьлазерів на вільних електронах полягає у можливості плавної перебудови частоти генерації (від видимого до ІЧ-діапазону) за рахунок зміни кінетичної енергії електронів. ККД таких лазерів складає 1 % при середній потужності до 4 Вт. З використанням пристроїв повернення електронів у резонатор ККД може бути збільшено до 20–40 % .

Рентгенівський лазерз ядерним накачуванням.Це найекзотичніший лазер. Схематично він є ядерною боєголовкою, на поверхні якої укріплено до 50 металевих стрижнів, орієнтованих у різних напрямках. Стрижні мають два ступені свободи і, подібно до стовбурів знарядь, можуть прямувати в будь-яку точку простору. Уздовж осі кожного стрижня розташований тонкий дріт із матеріалу високої щільності (порядку щільності золота) - активне середовище. Джерелом енергії накачування лазера є ядерний вибух. При вибуху активна речовина перетворюється на плазмовий стан. Миттєво остигаючи, плазма випромінює когерентне випромінювання в м'якому рентгенівському діапазоні. Через високу концентрацію енергії випромінювання, потрапляючи на ціль, призводить до вибухового випаровування речовини, утворення ударної хвилі та руйнування мети.

Таким чином, принцип дії та влаштування рентгенівського лазера роблять очевидним і область його застосування. В описаному лазері не передбачені дзеркала резонатора, використання яких в рентгенівському діапазоні неможливо.

Деякі види лазерів показані нижче.

Деякі види лазерів: 1- лабораторний лазер; 2- лазер безперервної дії на ;
3 - технологічний лазер для пробивання отворів; 4- потужний технологічний лазер

До цих методів, що мають широке застосування, належать останні п'ять груп методів, згаданих у 1. Розглянемо їх по порядку.

1. Метод зовнішнього накачування або зовнішнього збудження багаторівневої системи. В даний час цей метод набув найбільшого поширення в квантових приладах як у мазерах, так і в твердотільних та рідинних лазерах. Він застосовується частково у газових лазерах. Зазвичай у ньому використовуються трирівневі переходи чи, як кажуть, трирівневі системи. Суть методу ось у чому. Представимо три рівні (рис. 6,а), один з яких (нижній) відповідає нормальному збудженому положенню електрона, а два верхніх - рівні збудження. Припустимо, необхідно посилити коливання, тобто. робочим переходом є перехід 3-2. Щоб створити інверсне населення рівнів 3,2, середу опромінюють ззовні квантами енергії, які переводять частинки з рівня 1 на рівень Ці кванти або, як їх називають, кванти накачування і створюють підвищену населеність рівнів 3 порівняно з рівнями 2, і тому, коли приходить сигнал (кванти), цей сигнал посилюється за рахунок індукованих переходів 3-2. Перейшовши після акта посилення рівень 2, частка потім за рахунок спонтанного квантового переходу потрапляє назад на рівень 1 (хвиляста стрілка на рис. 6,а). Надалі спонтанні переходи позначатимемо хвилястими стрілками, а індуковані переходи - прямими. Прикладом квантових приладів, в яких використовується згаданий метод, можуть служити парамагнітні мазери, які можуть працювати тільки при наднизьких температурах (4,2 К) і в яких енергетичні рівні 1,2,3 з'являються за рахунок розщеплення через ефект Зеемана одного рівня зовнішньому постійному магнітному полі, і навіть ряд атомарних молекулярних і іонних газових лазерів на парах металів.

Крім показаного способу може використовуватися спосіб, де в якості робочого переходу служить перехід 2-1, коли квантами накачування як і раніше є кванти, а сигнальними квантами є кванти (див. рис. 6,б). Приклад лазера, що працює за схемою рис. 6,б може бути лазер на рубіні. У квантових приладах часто використовуються різні типи зовнішнього накачування чотирирівневих систем (рис. 7, а, б, в, г). При цьому можуть використовуватись звичайні прямі або одноквантові методи, що ілюструються схемами рис. 7 а,б, у яких робочим переходом є або перехід 4-3, або перехід 3-2. (Лазери на алюмінієво-ітрієвому гранаті, на склі з домішкою неодиму). Крім того, в чотирирівневих системах можуть використовуватися методи подвійного (або як їх ще називають, послідовного або двоквантового) накачування, які можливо здійснити в тих випадках, коли якісь дві енергетичні відстані між рівнями системи однакові. Ми розглянемо два такі методи, що використовуються у парамагнітних мазерах:

1) Метод подвоєння частоти допоміжного випромінювання.

Реалізація цього методу зрозуміла зі схеми рис. 7,в і можлива в тому випадку, коли

причому кванти є квантами накачування, а кванти

квантами сигналу;

2) Метод симетричного збудження або, як його інакше називають, метод пушпульного накачування. Схема його показано на рис. 7,г. Цей метод подвійного накачування реалізується в рубіні при куті між віссю симетрії кристала і зовнішнім полем, рівним. У цьому вся методі сигнальними квантами є кванти, а квантами накачування - кванти. Метод можливий, очевидно, у тому випадку, коли має місце в рубіні при куті подвійного накачування.

Методи подвійного накачування зазвичай дозволяють отримати значно більший ступінь інверсії населеності рівнів, ніж методи звичайного накачування. У твердотільних мазерах як парамагнітні речовини найчастіше використовується рубін, рутил або вольфрамати (солі типу, де), а в твердотільних лазерах, крім рубіну, часто використовують скло, активоване неодимом, а також ітрій-алюмінієвий гранат.

Чотирирівневі системи набули останнім часом великого поширення в рідинних лазерах. Рідинні лазери в даний час мають два різновиди - рідинні лазери на основі неорганічних рідких середовищ та на органічних барвниках. Перша група є лазерами, що використовують розчини солей рідкоземельного елемента неодиму в неорганічних рідинах. Їх можна вважати аналогами твердотільних лазерів, які використовують скло з домішкою неодиму.

Друга група використовує молекули органічних барвників. Енергетична структура такої молекули містить велику кількість коливально-обертальних підрівнів, які присутні як в основному стані молекули, так і в збудженому. Під впливом квантів зовнішнього накачування, як яких може використовуватися випромінювання або лампи-спалаху, або іншого квантового генератора, молекули переходять з рівня 1 основного стану на верхній рівень 4 збудженого стану. Потім шляхом безвипромінювального переходу молекула потрапляє на нижній рівень 3 збудженого стану, випромінює робочий квант, потрапляючи на верхній рівень основного 2 стану, і потім за допомогою безвипромінювального переходу знову виявляється на рівні основного стану. Таким чином, робота рідинних лазерів на основі молекул органічних барвників здійснюється за чотирирівневою системою. Великою перевагою таких лазерів є можливість отримання з їх допомогою різних довжин хвиль, що генеруються, від ультрафіолетових до ближніх інфрачервоних. Для цього треба використовувати різні типи барвників.

Слід зазначити, що досі під час розгляду квантових переходів у багаторівневих системах було зазначено лише корисні квантові переходи, тобто. лише ті переходи, які безпосередньо визначають роботу квантових приладів. Однак крім них є ще низка марних індукованих переходів, які завжди супроводжують згадані корисні переходи, але в більшості випадків бувають зворотними по відношенню до корисних переходів і досить істотно впливають на населеність рівнів і, отже, на роботу квантових приладів. Повна схема всіх переходів у трирівневій системі (див. рис. 7 а) має вигляд, показаний на рис. 6, в, причому подвійними стрілками показані корисні переходи; а одинарними – марні. Показані в цій схемі спонтанні переходи на верхні рівні з нижніх зазвичай здійснюються в твердих тілах за рахунок теплових коливань решітки, що розглядаються тут як випадковий фактор, і мають, як правило, порівняно малу ймовірність.

2. Метод збудження багаторівневої системи акустичними (ультразвуковими чи гіперзвуковими) коливаннями. У принциповому відношенні цей метод нічим не відрізняється від попереднього, тільки в ньому або один або обидва корисні індуковані переходи здійснюються за рахунок впливу акустичних (зазвичай ультразвукових або гіперзвукових) коливань, а не за рахунок електромагнітних коливань, як у попередньому випадку. Інакше кажучи, у цьому методі робочими квантами, чи квантами накачування, є фотони, а фонони.

Очевидно, що для реалізації цього методу квантова система, по-перше, повинна добре пропускати ультразвук або гіперзвук, а по-друге, має бути поміщена всередині відповідного ультра-або гіперзвукового акустичного резонатора. У цьому то, можливо три типу квантових систем, використовують квантові переходи з допомогою фононів, тобто. може бути три типи систем, які називаються акустичними мазерами:

• 1) Системи з фононним збудженням, що служать для отримання посилення ультра-або гіперзвуку. У цих системах накачування і сигнал є ультра- або гіперзвукові коливання, що передаються ззовні за допомогою відповідних п'єзоелектричних вібраторів, що перетворюють у ці коливання звичайну електромагнітну енергію;
• 2) Системи з електромагнітним збудженням, що служать для посилення або генерації ультра-або гіперзвукових коливань. У цих системах накачування здійснюється фотонами, а сигнал є потік фононів, причому, очевидно, що така система, якщо вона резонансна, повинна бути поміщена як всередині електромагнітного резонатора (накачування), так і всередині акустичного резонатора (за сигналом).

Саме ці два типи систем часто називають акустичними мазерами;

3) Системи із збудженням ультра- або гіперзвуковими коливаннями, що служать для посилення або генерації електромагнітних коливань. Така система, що є як би зворотною по відношенню до попередньої системи, часто називається зворотним акустичним мазером. Вона якраз і є цікавою для нас багаторівневою системою, що збуджується фононами.

Так як фонони, подібно до фотонів, є квантами енергії, то всі ті загальні міркування, які в минулому обговорювалися з приводу квантових переходів, пов'язаних з впливом фотонів, ставляться так само і до впливу фононів.

Метод одержання інверсії населеності рівнів за рахунок газорозрядного збудження. Цей метод, що використовується в лазерах, незважаючи на його дуже широке поширення, досі вивчений у деталях значно слабше, ніж усі попередні методи. Суть його полягає в тому,

що атоми, іони або молекули в газовому розряді зазвичай під впливом різного роду зіткнень виходять збудженими за трирівневою або чотирирівневою системами. Деталі схеми збудження можуть бути в різних системах та для різних рівнівнайрізноманітнішими, причому система може взагалі багаторівнева. За характером середовища і частково за особливостями механізму утворення інверсної населеності газорозрядні лазери можна розділити на атомарні, іонні та молекулярні. Атомарні ОКГ, за винятком неон-гелієвого лазера, що працює в діапазоні видимого світла, дають генерацію в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль. Іонні ОКГ, що використовують переходи між рівнями енергії іонізованих газів, таких як аргон, пари кадмію, селену, ртуті та ін, дають генерацію в основному в області видимого світла і є основними джерелами випромінювання синього та зеленого кольорів та ультрафіолетових ліній. Молекулярні ОКГ можуть давати ширший спектр випромінювання, від інфрачервоних до ультрафіолетових ліній. Однак серед різних можливих типівзбудження атомів або молекул у газовому розряді можна виділити деякі основні механізми збуджень, які виконують головну рольу тих чи інших газорозрядних лазерних системах. Ми розглянемо три такі типи збуджень: 1) за рахунок зіткнень; 2) за рахунок дисоціації молекули; 3) електроіонізаційне та фотоіонізаційне.

Порушення за рахунок зіткнень можна, у свою чергу, поділити на дві групи:

а) збудження атомів або молекул газу при непружних зіткненнях з електронами. При цьому перехід 1-3 здійснюється прямим ударом електрона в газовому розряді, або рядом послідовних збуджень з одного рівня на інший, що має велику енергію. У такий спосіб вдається порушити лише порівняно невелику кількість типів атомів. Прикладом може бути збудження прямим зіткненням одного з рівнів із серії в атомі неону (рівня, другого зверху по енергії в надтонкій структурі, так що його можна позначити.):

Робочим переходом при цьому є перехід

відповідний випромінюваної довжини мкм.

Найбільш інтенсивне збудження атома ударом електрона йде в тому випадку, коли енергія електроналета, що налітає, трохи більше порогової енергії збудження атома. Прикладом збудження рядом послідовних зіткнень з електронами може бути збудження молекул в лазерах на суміші та;

б) порушення зіткненнями у газовому розряді за наявності домішок. Інверсне населення рівнів можна отримувати зі значно більшою інтенсивністю, якщо використовувати розумно підібрану суміш газів, таку, що збудження атомів основного газу А йде не тільки за рахунок зіткнень з електронами, але і за рахунок резонансної втрати енергії від збуджених зіткненнями на метастабільні рівні атомів домішкового газу В. Таким чином, процес збудження атома йде до певної міри наступним шляхом. Атоми за рахунок зіткнень з електронами отримують збудження, відповідне переходу. Бажано, щоб рівень був метастабільний і щоб між рівнями не було проміжних рівнів. Цей випадок реалізується, наприклад, в атомах гелію для переходів парагелій-ортогелій і (останній за наявності проміжного рівня із забороненим переходом).

Крім того, енергетична відстань має бути близькою. З цих міркувань потрібно підбирати газ. У зв'язку з метастабільністю збуджені атоми живуть порівняно довго і, стикаючись з атомами, передають їм енергію свого збудження за схемою

Таким способом вдалося отримати генерацію на серії сумішей атомів інертних газів та молекул, наприклад, на. У цьому роль домішкових атомів грають атоми у перших двох випадках, і атоми і молекули останніх випадках. Ця роль у ряді випадків виявляється визначальною у можливості отримання лазерної генерації. Так, наприклад, без домішок за рахунок суто електронного збудження зіткненням вдалося отримати генерацію тільки на трьох переходах, а в суміші число генерованих в різних умовах переходів досягає двадцяти двох. Аналогічно цьому чистий генерував лише двох переходах, а суміші на сімнадцяти переходах. І таких прикладів можна навести безліч.

Розглянемо спосіб збудження з допомогою дисоціації молекул. Цей метод ґрунтується на наступному процесі. Молекула, що складається з двох атомів і, під впливом зіткнення з електроном або з іншою молекулою, або з атомом, або з фотоном, виявляється у збудженому стані, з якого виходить шляхом дисоціації на атоми, причому один з них виявляється збудженим. Процес описується рівнянням

Однак, як правило, як ударна по молекулі частинки виступає квант світла, фотон, причому процес називається фотодисоціацією і має високу ефективність. Так як метод дисоціації може бути реалізований без газового розряду, то цей метод часто відносять до хімічних методів отримання інверсної населеності. В одному з перших лазерів, які використовують цей метод, газ піддавався опроміненню світлом потужної імпульсної лампи, викликаючи фотодисоціацію за схемою, а потім збуджені атоми йоду давали генерацію на хвилі дині мкм. Так як процес фотодисоціації можуть бути піддані великі обсяги газу, то йодні лазери можуть давати велику імпульсну і безперервну потужність випромінювання. Вважаючи, що процес дисоціації описується системою перетворень молекули і записуючи два рівняння кінетики цього процесу для відповідних концентрацій частинок, що розглядаються.

де - можливість в одиницю часу фотозбудження молекули; - відповідна ймовірність її утворення при зіткненні одного атома та атома;

і - ймовірності спонтанного та індукованого переходів в одиницю часу, можна з урахуванням (4) зі стаціонарного варіанту (24) отримати аналог формули (9):

де - інтенсивність (потік потужності) випромінювання, причому наближене значення отримано в припущенні досить швидкого процесу відновлення молекул, коли сумарна їх концентрація настільки велика, що і.

Розглянемо метод електроіонізаційного та фотоіонізаційного збудження газорозрядних лазерів, перший з яких вже згадувався в розд. 2. в описах методу отримання ексимерних молекул.

Однією з основних завдань лазерної техніки є завдання підвищення енергії випромінювання, що знімається з одиниці об'єму збудженого газу. Для вирішення цього завдання необхідно підвищити тиск газу. При цьому енергія електронів у розряді витрачається, по-перше, створення провідності плазми (на іонізацію) і, по-друге, на збудження активних частинок газу. Однак оптимальні значення енергії електронів, необхідних виконання кожної з цих функцій, виходять різними, що істотно зменшує ефективність системи. Для роздільного виконання цих функцій (іонізації та збудження) з метою підвищення ефективності системи застосовується електроіонізаційний метод, який полягає в тому, що область розряду додатково впорскується потік електронів, службовців для іонізації атомів газу, тобто. для створення провідності плазми При цьому напруга на електродах можна зменшити для того, щоб вона стала оптимальною для збудження атомів газу.

У пристрої, що використовує електроіонізаційний метод, через отвір в катоді розрядного проміжку в область між електродами розряду надходять електрони, що йдуть з вакуумного об'єму, відокремленого від області розряду, в якій тиск близький до атмосферного тонкої алюмінієвої фольгою. Електрони, створені електронною гарматою або системою гармат, бомбардують цю фольгу з високою енергією (порядку 100 кеВ) і проникають через неї область розряду, маючи швидкості, оптимальні для іонізації. Оскільки система працює в імпульсному режимі, фольга не встигає згоріти. Спеціальні дзеркала утворюють у розрядному проміжку резонатор Фабрі-Перо, причому одне із дзеркал випускає кванти генерації.

Фотоіонізаційний метод відрізняється від електроіонізаційного тим, що іонізація у розрядному проміжку здійснюється зовнішнім опроміненням світлом, а не швидкими електронами.

Газодинамічний метод здобуття інверсної населеності. Цей метод було запропоновано радянськими фізиками В. К. Конюховим та А. М. Прохоровим у 1966 р. Ідея його полягає в наступному. Якщо нагріти газ, що складається з атомів або молекул, що мають трирівневу систему (рис. 8), в якій ймовірність спонтанного переходу значно більша за ймовірність спонтанного переходу і більша ймовірність переходу, то при нагріванні кількість збуджених молекул, що знаходяться на рівнях 2, буде більшою, ніж число молекул, що є на рівнях 3, т.к. .

Однак, якщо цей газ швидко охолодити, то на рівнях 3 затримається більше молекул, ніж на рівнях 2 через те, що і таким чином протягом деякого часу буде створена інверсна населеність на переході. На рис. 8 показано зміну в часі t, що минув після охолодження газу, числа збуджених молекул, що знаходяться на рівнях і. Схема установки, що реалізує цей метод на основі використання молекул, представлена ​​на рис 9.

У камеру згоряння 1 надходить трубкою 2 рідке паливо, а по трубках 3 і 4 кисень і молекули і, службовці в якості домішок. За допомогою запального пристрою 5 паливо займається, утворюється і гаряча суміш газів, що мають відносний склад

надходить при температурі під великим тиском сопло 6, звідки з надзвуковою швидкістю ця суміш потрапляє у великий обсяг 7, де відбувається швидке розширення, а отже, і швидке охолодження газу. При цьому охолоджений газ виявляється в області резонатора Фабрі-Перо, утвореного дзеркалами 8 і 9 де відбувається індуковане дезбудження молекул і лазерна генерація.

Такі газодинамічні лазери зараз дозволяють отримувати безперервну потужність близько 500 кВт.

5. Плазмові методи отримання інверсної населеності засновані на тому, що в холодній плазмі (на відміну від гарячої газорозрядної плазми) електрони мають малі швидкості і тому інтенсивно рекомбінують з іонами обсягом. При цьому вони займають верхні незаповнені рівні енергії атома і таким чином утворюють збуджені на верхньому рівні атоми, створюючи по відношенню до нижчих рівнів збудження атомів інверсну населеність. Якщо і - концентрація іонів і збуджених на верхні та нижні рівні атомів, то рівняння кінетики процесів будуть:

де ймовірність у іона в одиницю часу рекомбінувати з електроном шляхом посадки його на верхній рівень - ймовірність спонтанного очищення нижнього рівня в одиницю часу; та - відповідні ймовірності спонтанного та індукованих переходів. Зі стаціонарних варіантів рівнянь (26.) з урахуванням (4.) маємо вираз типу (9.):

З (27) слід, що збільшення необхідно збільшувати, тобто. якнайшвидше очищати нижній рівень. Проблема очищення нижнього робочого рівня є однією з основних проблем у плазмових та газорозрядних методах отримання інверсної населеності. Існує чотири основні механізми такого очищення:

• 1. з допомогою спонтанного переходу більш нижній (чи основний) рівень енергії (радіаційне очищення);
• 2. за рахунок передачі енергії збудження нижнього рівня охолодженим вільним електронам плазми шляхом зіткнення з ними;
• 3. за рахунок непружних зіткнень із спеціально доданими домішковими атомами газу, причому енергія збудження нижнього рівня може йти або на резонансну передачу збудження сусідньому атому домішки, або на його іонізацію, або на збільшення кінетичної енергії його руху (удар другого роду). Додаючи потрібну кількість успішно знайдених домішкових атомів, можна значно збільшити і;
• 4. хімічне, коли спеціально додані домішкові атоми активно вступають у хімічну реакцію з атомами, що знаходяться саме на нижніх рівнях збудження, утворюючи нові молекули і таким чином зменшуючи обсяг плазми.

За способами реалізації плазмові (рекомбінаційні) лазери поділяються на імпульсні, електронно-пучкові, з ядерним накачуванням, плазмодинамічні та плазмохімічні. В імпульсних лазерах генерація здійснюється після закінчення проходження потужного імпульсного розряду в газі, що складається з суміші робочого та буферного газу, причому останній служить так само і для швидкого охолодження електронів тоді післясвітлення розряду, коли здійснюється лазерна генерація. (Прикладом можуть бути лазери на іонізованих парах лужно-земельних металів:). В електронно-пучкових лазерах і лазерах з ядерним накачуванням в холодний робочий газ ззовні вводиться або пучок швидких іонізуючих газ електронів, або іонізуючі газ уламки ядерних реакцій, одержувані зі стаціонарних ядерних реакторів або при спеціально створених ядерних вибухах (саме таким останнім способом намагаються реалізувати лазер, генеруючий рентгенівські промені).

У плазмодинамічних лазерах генерація здійснюється в ділянках охолодження плазмового струменя, що вільно рухається, попередньо утвореної за допомогою газового розряду, в проходить через ділянку розряду струмені газу або утвореної яким-небудь іншим способом. При цьому струмінь може швидко охолоджуватися за рахунок розширення, щільність її може збільшуватися шляхом стиснення в поздовжньому магнітному полі, або зовнішньому або реалізується за рахунок пінч-ефекту та ін.

Плазмохімічні лазери характеризуються різними хімічними способамиочищення нижнього робочого рівня.

4. Рівняння кінетики зміни населеності рівнів у багаторівневих квантових системах та умови інверсної населеності

Аналіз умов отримання інверсної населеності у багаторівневих системах та кінетику процесів цього отримання можна проводити з різним ступенем наближення. Нижче буде розглянуто три різні підходи до цього аналізу.

1. Аналіз, заснований на обліку лише двох робочих рівнів багаторівневої системи. Така схема показана на рис. 10, вже використовувалася при аналізі плазмових методів отримання інверсної населеності, і якщо в рівняннях (26.) замінити (швидкість зовнішнього накачування рівня 2), то ці рівняння описуватимуть кінетику процесів у наближенні, причому стаціонарний варіант розв'язання цих рівнянь дає вираз (27 .), що є аналогом загального співвідношення (9.), і має вигляд

з якого випливає, що стаціонарну інверсну населеність робочих рівнів не можна отримати за умови. Такий робочий перехід, у якого, називається самозамикається. Прикладом такого переходу може бути лазер на парах міді. Отримати інверсну населеність у такому лазері можна лише початковій стадії перехідного процесу, відповідної передньому фронту імпульсу струму розряду. Проаналізуємо цей перехідний процес з урахуванням рівнянь (26.), у яких покладемо (відсутній зовнішній сигнал). При цьому з першого рівняння за початкових умов

; виходить

що після підстановки у друге рівняння (26.) та інтегрування за початкових умов

Дає вираз

визначальний процес зміни. З (29.) слід, що, тому хід функції при різних співвідношеннях між і буде таким, як показано на рис 11, причому з рівнянь (26) можна отримати, що цей хід описується співвідношенням і має максимум при

З рис.11 випливає, що в переході, що самозамикається, протягом початкового періоду дійсно існує нерівність. Оскільки зі стаціонарного варіанта рівнянь (36) випливає

то, віднімаючи друге рівняння (36) з першого і підставивши з цієї наближеної (для нестаціонарного режиму) рівності, можна отримати рівняння

приблизно описує кінетику процесу у разі і при. Це рівняння часто використовується для наближеного аналізу перехідних процесів лазерних системах.

• 2. Аналіз трирівневої системи з верхнім робочим переходом з урахуванням спонтанного заповнення верхніх рівнів. Таке заповнення необхідно враховувати у разі парамагнітних мазерів, коли теплові спонтанні переходи істотно впливають на поведінку системи, особливо при температурах, відмінних від кріогенних. Розглянута схема відповідає рис.6,а,в і у разі накачування квантами світла рівняння кінетики зміни населення (концентрації відповідних атомів) , і рівнів 1,2 і 3 мають вигляд

причому так, як результуюча концентрація активних атомів

• (В (31) і (32) величини - ймовірності спонтанних переходів в одиницю часу з i-го рівня на j-й, a -відповідні ймовірності індукованих переходів).

Якщо (34), (31) і (32) знайти, то, віднімаючи з (34) всі члени (32), можна для різниці отримати рівняння, що визначає dy/dt . Якщо всі члени цього рівняння продиференціювати за часом, підставивши

можна після визначення (34), (3l) і (32) і підстановки замість його значення з рівняння для dy/dt отримати остаточне рівняння, що визначає в загальному випадку залежність y= f(t)

Зі співвідношень (З5) - (41) можна отримати стаціонарне значення, причому параметри, що входять у ці співвідношення, мають чіткий фізичний зміст. Так, без накачування, коли, виходить вираз

з якого випливає, що

є значення відсутність сигналу і накачування. Порівняння (42) з (3)-(5) показує, що є час спонтанної релаксації (час життя збудження) сигнального переходу 32 без накачування. Можна показати, що є аналогічний час релаксації переходу накачування 31 без сигналу, коли. З (33) та (39) можна отримати співвідношення

визначальне населення рівня 1 при.

Стаціонарне значення можна представити у вигляді, аналогічному виразу (9):

з якого випливає, що в загальному випадку інверсію населеності (тобто) можна отримати лише за умови, коли (), і за наявності досить великої накачки, такої, що

Порівнюючи вирази

(42) та (44), (45), можна переконатися, що ефективний час релаксації збудження рівнів сигнального переходу

зменшується зі зростанням накачування при, . З (44) слід, що інверсія населеності рівнів сигнального переходу () пропорційна величині

оцінити яку можна вважати, що відсутність зовнішнього впливу населеності, підпорядковуються закону Больцмана:

Звідки випливає, що для мазерів, у яких мало

в порівнянні з кT при кімнатних температурах(при = 10 ГГц і за T = 300 До), збільшення () необхідно зменшувати Т. Тому мазери можуть працювати нормально лише за криогенних температурах. Фізично це пояснюється тим, що тепловий рух закидає частки більш високі рівні, Зрівнюючи концентрації частинок на різних рівнях і зменшуючи тим самим В лазерах, де енергетичний інтервал досить великий, потреба в зниженні температури зазвичай відсутня.

Аналіз, трирівневих та чотирирівневих систем без урахування спонтанного заповнення верхніх рівнів. Для мазерів при кріогенних температурах і лазерів при кімнатних температурах з гарним ступенем наближення можна знехтувати спонтанними переходами на верхні рівні, тобто. вважати, що, як це випливає з (37)-(41), (43), (46), розглянуті параметри мають значення

так що стаціонарна різницю населення теж виходить у формі вираження (9)

З виразу (52) видно, що, коли робочий перехід 32 стає самозапирающимся. Нескладні розрахунки параметра

основі (50), (5l) показують, що

при зміні у межах.

У підсилювальних системах (особливо в мазерах) сигнал зазвичай малий і можна вважати, так що з (52) випливає вираз

яке показує , що при, коли, інверсія населеності рівнів сигнального переходу 32 настає при скільки завгодно малому накачуванні. Ми побачимо, що для випадку робітничого переходу 12 це не так. При дуже великій накачці () населеності рівнів 1 і 3 вирівнюються (що буде показано нижче) і з (55) слід, що параметр дворівневий багаторівневий рівняння кінетика

визначає найбільшу відносну інверсну населеність, яка має місце при . З іншого боку, т.к. в цьому випадку

то співвідношення

визначають населеності рівнів у трирівневій системі за відсутності сигналу і за дуже великому накачуванні.

Розглянемо трирівневу систему з робочим переходом 2I типовим випадком використання якої є лазер на рубіні. У цьому випадку при, коли справедлива схема рис.6,б рівняння кінетики, подібні (31) і (32), будуть мати вигляд

та їх стаціонарний варіант дає після заміни рішення у формі співвідношення (9):

як і визначається з (50) і (51). З (60) і (61) випливає, що інверсія населеності в даному випадку, може мати місце лише за, коли, і за такої великої накачування, що

(на відміну від випадку використання переходу 32 як робітник). Для випадку відсутності сигналу () можна з (61) та (55) отримати, що

так, що при, про що згадувалося вище.

Таким чином, при використанні переходу 32 зазвичай інверсія населеності виходить при меншій накачці, ніж при використанні переходу 12 для.

Розглянемо чотирирівневу квантову систему з робочим переходом 32 як сигнальний (див. рис. 7, б). Така система реалізується в лазері на склі, активованому неодимом, в рідинних лазерах на барвниках та ін.

Зі стаціонарного варіанта () цих рівнянь випливає, що інверсна різниця населеностей робочого переходу, записана у формі (9), має значення:

З (66) випливає, що в цій системі, так само як і в трирівневій системі з робочим переходом 32, інверсна населеність настає при будь-якому малому накачуванні (), але лише у разі виконання нерівності

Якщо ця нерівність порушена, перехід 32 в чотирирівневій системі буде самозапирающимся і система здатна працювати лише в початкові періоди імпульсного збудження.

Розгляд у розділах 2-4 стаціонарних режимів різних типів квантових систем показує, що вони мають один і той же тип нелінійності, що визначає залежність коефіцієнта посилення від інтенсивності I поля світлової хвилі відповідно до загальних і однакових виразів (8), (9), (11), (14), (20), (22), (27), (28), (44), (60), (65).

Це дозволяє будувати теорію різних типів квантових автогенераторів за єдиним планом, аналізувати поведінку та проводити оптимізацію їх параметрів за загальною для всіх цих приладів схемою.

Інверсна заселеність – це концентрація атомів з однаковим енергетичним станом; у термодинамічній рівновазі підпорядковується статистиці Больцмана:

Де – концентрація атомів, стан електронів у яких відповідає енергетичним рівням з енергією та .

Коли концентрація незбуджених атомів більша, ніж збуджених, величина Δn = негативна, отже, населеність нормальна. Коли концентрація збуджених атомів більша, ніж незбуджених (що забезпечується впливом енергії накачування), величина Δn стає позитивною, тобто відбувається інверсія населеностей і випромінювання, що проходить, може посилюватися за рахунок збуджених атомів.

Формально умова Δn > 0 виконується за абсолютної негативної температури T< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

У напівпровідникових лазерах інверсія між населенням енергетичних рівнів зони провідності та валентної зони досягається інжекцією носіїв при позитивному зміщенні p-n-переходу.

Лазерне посилення

Лазерне посилення - це посилення оптичного випромінювання, засноване на використанні індукуючого випромінювання – при впливі кванта випромінювання на атом у збудженому стані, відбувається перехід електрона зі стану з енергією в стан з енергією .

У середовищі з достатньою концентрацією збуджених атомів при пропусканні через неї випромінювання, можна отримати режим посилення, якщо кількість фотонів, що утворилися, істотно більше втрат на поглинання і розсіювання.

Інжекційний лазер представлений малюнку 1.3

Мал. 1.3.Схема пристрою напівпровідникового інжекційного лазера (лазерного діода)

На рис.1. 4 представлено положення рівня Фермі у власному та домішковому напівпровідниках. Одна з важливих властивостей рівня Фермі полягає в тому, що в системі, що складається з напівпровідників n- та p-типу і якщо до них не прикладена напруга, рівні Фермі у них вирівнюються (рис.1. 4а). Якщо вони перебувають під різними потенціалами, то рівні Фермі у яких зсуваються на величину різниці потенціалів (рис.1. 4. б).

Рис.1. 4. Енергетична діаграма інжекційного напівпровідникового лазера: p-n перехідбез прикладеної зовнішньої напруги (а); p-n перехід при додатку зовнішньої напруги у прямому напрямку (б). d - ширина p-nпереходу, l – реальна ширина області, що забезпечує роботу лазера.

В цьому випадку в зоні p-n переходу створюється інверсна населеність і електрони здійснюють перехід із зони провідності до валентної зони (рекомбінують з дірками). При цьому випромінюються фотони. За таким принципом працює світлодіод. Якщо для цих фотонів створити зворотний позитивний зв'язок у вигляді оптичного резонатора, то області p-nпереходу при великих значеннях зовнішньої напруги можна отримати лазерну генерацію. При цьому процес утворення та рекомбінації нерівноважних носіїв відбувається хаотично і випромінювання має малу потужність і є некогерентним та немонохроматичним. Це відповідає світлодіодному режиму напівпровідникового випромінювача. У разі збільшення струму вище порогового значення випромінювання стає когерентним, його спектральна ширина сильно звужується, а інтенсивність різко зростає – починається лазерний режим роботи напівпровідникового випромінювача. При цьому також збільшується ступінь лінійної поляризації випромінювання, що генерується.

На рис.1. 5 схематично представлена ​​конструкція напівпровідникового лазера та розподіл інтенсивності вихідного випромінювання. Як правило, в такому лазері резонатор створюється поліруванням двох діаметрально протилежних сторін кристала, перпендикулярних площині p-n переходу. Ці площини робляться паралельними та поліруються з високим ступенем точності. Вихідну поверхню можна розглядати як щілину, якою проходить випромінювання. Кутова розбіжність випромінювання лазера визначається дифракцією випромінювання цієї щілини. При товщині p-nпереходу в 20 мкм та ширині – 120 мкм, кутова розбіжність відповідає приблизно 60 у площині XZ та 10 – у площині YZ.

Рис.1. 5. Принципова схемалазер на p-n переході. 1-область p-n переходу (активний шар); 2-перетин лазерного пучка у площині ХY.

У сучасних напівпровідникових лазерах широко використовуються так звані напівпровідникові гетероструктури, для розробки яких значний вкладвніс академік РАН Ж. І. Алфьоров (Нобелівська премія 2000 року). Лазери на основі гетероструктур мають кращі характеристики, наприклад, більшу вихідну потужність і меншу розбіжність. Приклад подвійної гетероструктури наведено на рис. 1. 6, та її енергетична схема – на рис. 1. 7.

Мал. 1.6. Напівпровідникова подвійна гетероструктура. 1-провідний металізований шар для створення електричного контакту; 2-шар GaAs (n); 3-шар Al0.3Ga0.7As (n); 4-шар, що відповідає зоні інжекції носіїв заряду (p-n-перехід); 5-шар Al0.3Ga0.7As (p); 6-шар GaAs (p); 7-непровідний шар оксиду металу для обмеження струму через p-n-перехід, що формує зону генерації випромінювання; 8,9-прилеглі шари для створення електричного контакту; 10-підкладка із тепловідведенням.

Мал. 1.7. Енергетична схема подвійної гетероструктури, вісь Y та номери шарів відповідають рис. 1. 6. ΔЕgc-ширина забороненої зони; ΔЕgv-ширина забороненої зони p-n-переходу.

Мал. 1. 8. Напівпровідниковий лазер із гетероструктурою: l - довжина резонатора

Активне середовище

Активне середовище - речовина, в якій створюється інверсна заселеність. У різних типахлазерів вона може бути твердою (кристали рубіна або алюмоітрієвого граната, скло з домішкою неодиму у вигляді стрижнів різного розміру та форми), рідкої (розчини анілінових барвників або розчини неодиму в кюветах) і газоподібної (суміш гелію з неоном, аргон, вуглекислий газ) водяна пара низького тиску в скляних трубках). Напівпровідникові матеріали та холодна плазма, продукти хімічної реакції теж дають лазерне випромінювання. Лазери отримують назви залежно від активного середовища.

Хоча напівпровідникові лазери і є твердотільні, їх прийнято виділяти в спеціальну групу. У цих лазерах когерентне випромінювання виходить внаслідок переходу електронів з нижнього краю зони провідності верхній край валентної зони.

Існує два типи напівпровідникових лазерів.

Перший має пластину безпримісного напівпровідника, де як напівпровідники використовуються арсенід галію GaAs, сульфід кадмію CdS або селенід кадмію CdSe

Другий тип напівпровідникового лазера – так званий інжекційний лазер – складається з домішкових напівпровідників, у яких концентрація донорних та акцепторних домішок становить 1018-1019. Для інжекційних лазерів застосовують головним чином арсенід галію GaAs.

Умова створення інверсної населеності для напівпровідників на частоті v має вигляд:

∆F= - >hv

Тобто, щоб випромінювання у напівпровідниковому монокристалі посилювалося, відстань між рівнями Фермі для електронів та дірок має бути більшою за енергію кванта світла hv. Чим менша частота, тим за меншого рівня збудження досягається інверсна населеність.

Система накачування

Накачування створює інверсну заселеність в активних середовищах, причому для кожного середовища вибирається найбільш зручний та ефективний спосіб накачування. У твердотільних та рідинних лазерах використовують імпульсні лампи або лазери, газові середовища збуджують електричним розрядом, напівпровідники електричним струмом.

У напівпровідникових лазерах використовується накачування електронним пучком (для напівпровідникових лазерів із безпримісного напівпровідника) та подачею прямої напруги (для інжекційних напівпровідникових лазерів).

Накачування електронним пучком може бути поперечним (рис. 3.1) або поздовжнім (рис. 3.2). При поперечному накачуванні дві протилежні грані напівпровідникового кристала відполіровані та відіграють роль дзеркал оптичного резонатора. У разі поздовжнього накачування застосовуються зовнішні дзеркала. При поздовжньому накачуванні значно покращується охолодження напівпровідника. Приклад такого лазера - лазер на сульфіді кадмію, що генерує випромінювання з довжиною хвилі 0,49 мкм і має ККД близько 25%.

Мал. 3.1 - Поперечне накачування електронним пучком

Мал. 3.2 - Поздовжнє накачування електронним пучком

В інжекційному лазері є p-n-перехід, утворений двома виродженими домішковими напівпровідниками. При подачі прямої напруги знижується потенційний бар'єр у p-n-переході та відбувається інжекція електронів та дірок. В області переходу починається інтенсивна рекомбінація носіїв заряду, при якій електрони переходять із зони провідності до валентної зони і виникає лазерне випромінювання (рис. 3.3).

Мал. 3.3 - Принцип влаштування інжекційного лазера

Накачування забезпечує імпульсний чи безперервний режим роботи лазера.

Резонатор

Резонатор являє собою пару дзеркал, паралельних один одному, між якими вміщено активне середовище. Одне дзеркало («глухе») відбиває весь падаючий нею світло; друге, напівпрозоре, частина випромінювання повертає в середу для здійснення вимушеного випромінювання, частина виводиться назовні у вигляді лазерного променя. Як «глухе» дзеркало нерідко використовують призму повного внутрішнього, як напівпрозорого – стопу скляних пластин. Крім того, підбираючи відстань між дзеркалами, резонатор можна налаштувати так, що лазер генеруватиме випромінювання тільки одного, строго певного типу (так звану моду).

Найпростішим оптичним резонатором, що широко застосовується у всіх видах лазерів, служить плоский резонатор (інтерферометр Фабі - Перо), що складається з двох плоскопаралельних пластин, розташованих на відстані один від одного.

Як одна пластина можна використовувати глухе дзеркало, коефіцієнт відображення якого близький до одиниці. Друга пластина повинна бути напівпрозорою, щоб випромінювання, що генерувалося, могло вийти з резонатора. Для збільшення коефіцієнта відбиття поверхонь пластин на них зазвичай наносяться багатошарові діелектричні покриття, що відбивають. Поглинання світла у таких покриттях практично відсутнє. Іноді покриття, що відбивають, наносяться безпосередньо на плоскопаралельні торці стрижнів активного середовища. Тоді потреба у виносних дзеркалах відпадає.

Мал. 4.1. Типи оптичних резонаторів: а – плоский, б – призменный, в – конфокальний, г – напівконцентричний, д – складовий, е – кільцевої, ж, з – схрещені, і – з бреггівськими дзеркалами. Заштриховано активні елементи.

Як глухе дзеркало в оптичному резонаторі можна використовувати прямокутну призму (рис. 4.1, б). Промені світла, що падають перпендикулярно до внутрішньої площини призми, в результаті дворазового повного відображення виходять з неї в напрямку, паралельному осі резонатора.

Замість плоских пластин в оптичних резонаторах можуть використовуватися увігнуті напівпрозорі дзеркала. Два дзеркала з однаковими радіусами кривизни, розташовані так, що їх фокуси знаходяться в одній точці Ф (рис. 4.1, в) утворюють конфокальний резонатор. Відстань між дзеркалами l=R. Якщо ця відстань зменшити вдвічі так, щоб фокус одного дзеркала опинився на поверхні іншого, то вийде софокусний резонатор.

Для наукових досліджень та різних практичних цілей застосовуються складніші резонатори, що складаються не тільки з дзеркал, але й інших оптичних елементів, що дозволяють контролювати та змінювати характеристики лазерного випромінювання. Наприклад, рис. 4. 1, д. – складовий резонатор, в якому підсумовується випромінювання, що генерується, від чотирьох активних елементів. У лазерних гіроскопах використовується кільцевий резонатор, в якому два промені поширюються в протилежних напрямках замкнутої ламаної лінії (рис. 4. 1,е).

Для створення логічних елементівобчислювальних машин та інтегральних модулів використовуються багатокомпонентні схрещені резонатори (рис. 4. 1. ж, з). Це по суті сукупність лазерів, що допускають їхнє селективне збудження і об'єднаних разом сильним оптичним зв'язком.

Особливий клас лазерів складають лазери з розподіленим зворотним зв'язком. У звичайних оптичних резонаторах зворотний зв'язок встановлюється через відображення випромінювання, що генерується, від дзеркал резонатора. При розподілі зворотний зв'язок відображення походить від оптично неоднорідної періодичної структури. Прикладом такої структури є дифракційна решітка. Вона може бути створена механічним шляхом (рис. 4.1 і) або селективним впливом на однорідне середовище.

Використовуються інші конструкції резонаторів.

За визначенням, до елементів резонатора необхідно відносити пасивні та активні затвори, модулятори випромінювання, поляризатори та інші оптичні елементи, що застосовуються при отриманні генерації.

Втрати у резонаторі

Генерацію випромінювання спрощено можна так: робочу речовину лазера поміщають в резонатор і включають систему накачування. Під впливом зовнішнього порушення створюється інверсна населеність рівнів, а коефіцієнт поглинання у певному спектральному інтервалі стає менше нуля. У процесі збудження ще до створення інверсної населеності робоча речовина починає люмінескувати. Проходячи через активне середовище, спонтанне випромінювання посилюється. Величина посилення визначається добутком коефіцієнта посилення на довжину шляху світла активному середовищі. У кожному типі резонаторів є такі обрані напрями, що промені світла внаслідок відбиття від дзеркал проходять через активне середовище в принципі нескінченну кількість разів. Наприклад, у плоскому резонаторі через активне середовище можуть пройти тільки промені, що поширюються паралельно осі резонатора. Всі інші промені, що падають на дзеркала під кутом до осі резонатора, після одного або кількох відбитків виходять із нього. Так виникають втрати.

Вирізняють кілька видів втрат на резонаторі:

1.Втрати на дзеркалах.

Оскільки частину генерованого в середовищі випромінювання необхідно вивести з резонатора, дзеркала, що застосовуються (принаймні одне з них) робляться напівпрозорими. Якщо коефіцієнти відбиття дзеркал за інтенсивністю дорівнюють R1 і R2, то коефіцієнт корисних втратна вихід випромінювання з резонатора в розрахунку на одиницю довжини задаватиметься формулою:

2.Геометричні втрати

Якщо промінь поширюється всередині резонатора не суворо нормально поверхням дзеркал, то після певної кількості відбитків він досягне країв дзеркал і залишить резонатор.

3. Дифракційні втрати.

Розглянемо резонатор, утворений двома плоскопаралельними круглими дзеркалами радіусом a. Нехай на дзеркало 2 падає паралельний пучок випромінювання із довжиною хвилі λ. Пучок відбивається від дзеркала і одночасно дифрагує в кут порядку d ϕ λ a. Числом Френеля для даного резонатора називається число проходів між дзеркалами, коли підсумкова розбіжність пучка досягне кута виходу випромінювання краю дзеркал ϕ=a/L

4.Розсіяння на неоднорідностях активного середовища.

Якщо резонатор заповнений активним середовищем, виникають додаткові джерела втрат. При проходженні випромінювання через активне середовище частина випромінювання розсіюється на неоднорідності та сторонніх включеннях, а також послаблюється внаслідок нерезонансного поглинання. Під нерезонансним поглинанням розуміють поглинання, пов'язане з оптичними переходами між рівнями, які не є робітниками для цього середовища. Сюди можуть бути віднесені втрати, пов'язані з частковим розсіюванням і поглинанням енергії в дзеркалах.

Повернемося до записаної вище умови термодинамічної рівноваги (2.4). Ця умова означає, що будь-яка рівноважнаквантова система поглинає енергію зовнішнього поля. Справді, згідно з (2.2), унизу часток завжди більше, ніж угорі (див. рис. 2.1). Енергія, що випромінюється в одиницю часу, дорівнює:

I изл = n 2 W 21 hn » n 2 W ІНД hn

Енергія, що поглинається в одиницю часу, дорівнює:

I погл = n 1 W 12 hn

dr / dt = (n 2 - n 1) W інд hn (2.10)

Звідси видно, що у рівноважному стані завжди dr/dt< 0 в силу n 2< n 1 . Для того щоб dr/dt > 0,необхідно, щоб n 2 > n 1. Це можливо лише за порушення термодинамічного рівноваги. Висловлюючись мовою квантової електроніки, необхідна інверсне населення робочих рівнів . Для цього потрібно, щоб переходи з випромінюванням випромінювання переважали над переходами з поглинанням.

Таким чином, ми підійшли до другого принципу, що лежить в основі роботи лазера: для посилення електромагнітного випромінювання у квантовій системі необхідно створити інверсію населеності пари квантових рівнів.

Формально підстановка такого співвідношення населення у формулу Больцмана (2.2) веде до негативного значення температури Т. Тому системи з інверсною населеністю іноді називали системами із негативною температурою. Таку назву слід визнати невдалою з таких причин.

Не можна забувати у тому, що квантування енергії має місце у пов'язаних станах, де набір дозволених значень енергії обов'язково обмежений зверху. Тому, в силу цілого ряду забороняючих факторів, квантовій системі неможливо повідомити довільну енергію так, щоб вона, по-перше, залишилася в рівновазі, а по-друге, продовжувала існувати у зв'язаному стані. Вона або перестане існувати, або втратить рівновагу. Деструкція системи нас, зрозуміло, не влаштовує - те, що ми хочемо від неї отримати, аж ніяк не є збільшення безладу. І це порушення термодинамічного рівноваги, тобто. резонансне підкачування енергії на верхній рівень при можливому меншому обуренні системи в цілому - це саме те, що потрібно. Ототожнення інверсної населеності з негативною температурою - умовність, оскільки саме створення інверсії означає порушеннятермодинамічної рівноваги, а поняття температури як такої з необхідністю передбачає наявністьтермодинамічної рівноваги.

Розглянемо можливість посилення електромагнітного випромінювання під час проходження через середовище з інверсною населеністю. Позначимо Dnл = 1/2pt 0, де t 0- Час життя верхнього рівня. Величина Dn лхарактеризує смугу частот, у межах якої дворівнева система ефективно взаємодіє із зовнішнім полем. Зважаючи на кінцівку часу життя верхнього рівня доводиться враховувати частотну залежність ймовірності індукованого переходу в (2.8) навіть при монохроматичному зовнішньому полі. Саме:

Тут q(n) -функція, що описує частотну залежність ймовірності індукованого переходу. У разі обліку лише кінцівки часу життя верхнього рівня q(n)має лоренцеву форму (докладніше про це нижче). Для монохроматичного зовнішнього поля:

r n = r d (n -n 0),

де d- дельта-функція Дірака; n 0 = (Е 2 - Е 1)/h- Частота зовнішнього поля, що збігається з центральною частотою переходу Е 2 ® Е 1 .

q(n 0)B 21 r = 2/pDnл (2.12)

Облік ширини лінії верхнього рівня необхідний щоб зв'язати W ІНД,що входить до dr/dt, із найбільшою величиною r. Використовуючи (2.10)-(2.12), можна описати посилення зовнішнього поля з допомогою індукованого випромінювання. Введемо величину:

звану показником посилення. Тут I- Щільність потужності, або інтенсивність випромінювання, пропорційна квадрату амплітуди поля або числу фотонів. Видно що α збігається з точністю до знака з поглинанням випромінювання під час поширення вздовж координати z. Оскільки йдеться про поширення електромагнітної хвилі, I ~ rі dz = cdt. Тоді:

(2.14)

Використовуючи (2.10) та (2.12), отримаємо:

(2.15)

В силу властивостей індукованого випромінювання, що отримується при посиленні в інверсному середовищі, випромінювання когерентно. Середовище з інверсною населеністю називається в квантовій електроніці активним середовищем . Формула (2.15) дає показник посилення активної середовища у лінійному наближенні, тобто. у випадку, коли α не залежить від інтенсивності випромінювання r(або I). Фактично це реалізується за досить малих інтенсивностей, або у тому випадку, коли випромінювання не викликає помітних відхилень розподілу числа частинок за рівнями від вихідного.

Можливість посилення електромагнітного випромінювання серед з інверсією населеності було показано В.А. Фабрикантом у 1940 р., але не була належним чином оцінена. Практично цю можливість було реалізовано під час створення квантових генераторів мікрохвильового діапазону радянськими вченими А.М. Прохоровим та Н.Г. Басовим і групою американських вчених на чолі з Ч. Таунсом в 1955 р., за що троє назв були удостоєні Нобелівської премії. Створений ними прилад отримав назву мазер M icrowave A mplification by S timulated E mission of R adiation».

Надалі були реалізовані умови для посилення та генерації у середовищі з інверсною населеністю випромінювання оптичного діапазону. Відповідне джерело випромінювання отримало назву лазер ― абревіатура англійського терміна « L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation». Слід визнати невдало і цього терміна, в якому не відображено особливість лазера як джерелаелектромагнітного випромінювання з унікальними властивостями, Тобто, як генератора . В абревіатурі слово "генератор" відсутнє. Прагнення підкреслити переваги лазера як автоколивальної системи призвело до появи в СРСР у 60-ті роки терміна «оптичний квантовий генератор» (ОКГ), що в даний час вийшов із вжитку. Тоді ж сформувалися дві точки зору на роботу лазера, умовно звані радіофізичноїі оптичної.

Процес створення інверсної населеності називається у квантовій електроніці накачуванням.

Для уявлення про результати історичних досліджень, що стали основою створення першого джерела когерентного випромінювання, розглянемо пристрій мазера (першого квантового генератора, де активними центрами використовувалися молекули аміаку NH 3).

Молекула аміаку має форму піраміди з трикутною основою. У вершині піраміди розташований атом азоту, а в кутах основи – атоми водню (див. рис. 2.3а). При цьому атом азоту в молекулі може займати два рівноправні положення вище і нижче за основу піраміди. Це веде до того, що у молекули з'являються два енергетичні стани, різниця енергій між якими відповідає частоті ν = 23870 МГц. В електричному полі через явище Штарка різниця між енергіями рівнів Е 2 -Е 1збільшується у міру зростання напруженості поля Е(Малюнок 2.3б). Таким чином, зі зростанням напруженості електричного поля енергія верхнього стану Е 2зростає, а нижнього Е 1зменшується. Розглянемо квадрупольний конденсатор, утворений чотирма паралельними стрижнями (рис. 2.3в). При зазначеній на малюнку полярності заряду конденсатор напружений

Малюнок 2.3.До влаштування мазера на пучку молекул аміаку.

Оскільки відповідно до законів механіки будь-яка система відчуває силу, спрямовану у бік зменшення її потенційної енергії, при поміщенні молекул аміаку в квадрупольний конденсатор молекули, що знаходяться у верхньому енергетичному стані, прагнутимуть осі конденсатора, тоді як молекули, що знаходяться в нижньому стані, будуть йти. від осі. Таким чином, якщо вздовж осі квадрупольного конденсатора пустити струмінь газу, то збуджені молекули «фокусуватимуться» вздовж осі конденсатора, і на виході з нього вийде струмінь газу (пучок молекул) з інверсною населеністю між станами, розділеними енергією hνяка може бути (і з успіхом була) використана для посилення резонансного електромагнітного випромінювання. В даному випадку ( ν = 23870 МГц) частота цього випромінювання розташовується в мікрохвильовому діапазоні.

Можливе створення інверсної населеності з допомогою збудження активних центрів інтенсивним випромінюванням оптичного діапазону. Таке накачування використовується в системах з високою концентрацією активних центрів – в активованих кристалах, скла та розчинах. Однак при цьому потрібне дотримання додаткових умов.

У разі дворівневої системи (див. малюнок 2.2) зовнішнє резонансне випромінювання може призвести лише до вирівнювання населеностей рівнів. Дійсно, до опромінення населеність нижнього рівня n 1більше за населеність верхнього рівня n 2тому кількість вимушених переходів на верхній рівень n 1 W 12буде перевищувати кількість вимушених переходів у зворотному напрямку n 2 W 21. Спочатку резонансне випромінювання максимально поглинається. У наступні моменти часу виду переважання переходів знизу нагору різниця населеностей n 1 ─n 2прагнутиме до нуля, і речовина перестає поглинати резонансне випромінювання (просвітлюється). Інакше висловлюючись, відбувається насичення поглинання робочому переході.

Таким чином, за допомогою оптичного накачування неможливо створити інверсну населеність у дворівневій системі. Але це виявляється можливим у складніших квантових системах, що мають число рівнів більше двох (див. малюнок 2.4).

Малюнок 2.4.Трирівневі (а, б) та чотирирівнева (в) схеми збудження

активного середовища

Розглянемо систему активних центрів, що мають три енергетичні рівні (рисунок 2.4а), що характеризується тим, що рівень з енергією Е 3за рахунок релаксаційних переходів має малий час життя щодо переходу на рівень Е 2, який, своєю чергою, характеризується великим часом життя і називається це «метастабільним». У рівноважному стані більшість активних центрів виявляється на рівні 1, який називають основним рівнем, інакше кажучи, в основному стані.

Нехай на таку систему подається випромінювання із частотою . Тоді за рахунок вимушених переходів активні центри переходитимуть до стану з енергією Е 3, а за рахунок релаксаційних переходів «звалюватися» з рівня Е 3на метастабільний рівень з енергією Е 2. Якщо частота релаксаційних переходів 3®2 перевищуватиме частоту релаксаційних переходів 2®1, то активні центри будуть накопичуватися на метастабільному рівні 2, та його населеність n 2може перевищити населеність нижнього рівня n 1. Тобто буде створено інверсне населення, яке може бути використане для посилення за рахунок вимушених переходів випромінювання, резонансного переходу 2®1. Зауважимо, що тільки для вирівнюванняНа цих рівнях необхідно перекинути нагору як мінімум половину активних центрів. Витрачена цього енергія може бути використана посилення резонансного випромінювання. Однак, оскільки для перекидання на рівень 3 потрібна велика енергія накачування (мова йде про велику кількість активних центрів і, відповідно, про великі світлові потоки випромінювання накачування), інверсія, що виникла, може забезпечити велику енергію, що висвічується на робочому переході. Такий режим роботи з радіофізичних позицій називається «жорстким» режимом збудження (важко виконати умови генерації, але у разі виконання автоколивання виникають з великою інтенсивністю).

Можлива інша ситуація (рисунок 2.4б), коли короткоживучим виявляється рівень 2. У цьому випадку активні центри, занедбані збуджуючим випромінюванням на рівень 3, можуть створити на ньому інверсне населення щодо рівня 2. Дійсно, центри, що опинилися на рівні 2 за рахунок вимушених переходів 3®2 будуть «скочуватися» за рахунок швидкої релаксації на рівень 1 (в основний стан), звідки випромінюванням накачування будуть знову переведені на рівень 3. На відміну від попереднього випадку, інверсія створюється на переході 3→2, і для виконання умови самозбудження не потрібно перекидання більше половини активних центрів стан 3 з основного стану. Такий режим називається м'яким режимом збудження, оскільки інверсію створити відносно легко, але отримати велику вихідну потужність на робочому переході важко.

І, нарешті, найбільш ефективною є чотирирівнева схема (рисунок 2.4в). У ній сильні (тобто мають малий час релаксації) релаксаційні переходи 43 і 21, причому бажано, щоб рівень 2 був розташований досить високо над основним станом 1, так що його вихідна населеність мала відповідно до формули Больцмана. У цьому випадку навіть незначна кількість активних центрів, закинутих накачуванням на рівень 4 і звалилися на метастабільний рівень 3 за рахунок релаксації, можуть створити інверсну населеність щодо рівня 2. У свою чергу, рівень 2 швидко спустошується, оскільки активні центри, що опинилися на ньому, скидаються релаксацією в основний стан. Оскільки в принципі рівень 2 (нижній робочий рівень) може бути завгодно мало заселений, інверсія на робочому переході 3→2 виходить значно простіше, ніж у будь-якій з трирівневих схем. Недоліком чотирирівневої схеми можна вважати відносно малу квантову ефективність (відношення енергії робочого переходу до енергії накачування) hν 14 ,), оскільки робочі рівні 2,3 розташовані далеко від основного стану.

Описаний спосіб накачування (оптичний) доцільно застосовувати у разі конденсованих активних середовищколи щільність активних центрів велика. Якщо ж щільність активних центрів мала (а це має місце у випадку газовийактивного середовища), то ефективніші інші способи накачування.

Найбільш поширений спосіб накачування такого активного середовища - електричний розряд у розріджених газах. Якщо в запаяній трубці, заповненій розрідженим газом, розташувати два електроди і подати на них напругу достатньої величини, то в просторі між електродами може виникнути стаціонарний розряд, що тліє. Електрони, що вилітають з катода, розганятимуться електричним полем і при зіткненні з частинками газу (атомами, молекулами) віддавати їм енергію. При цьому частина атомів іонізуватиметься, породжуючи вторинні електрони, а частина, отримавши енергію від електронів за рахунок непружного зіткнення, збудуться, тобто перейдуть у вищий енергетичний стан.

Таким чином, в тліючий розряд присутні три сорти частинок: іони, електрони і нейтральні атоми (молекули). У стаціонарному стані концентрацію кожної з цих компонентів розряду можна вважати постійною, хоча при зміні умов їх співвідношення може змінюватися (є динамічна рівновага). Очевидно, що наявність різних колективнихкомпонент означає відсутність термодинамічногорівноваги, оскільки для кожної з них існує свій квазірівноважний розподіл за енергіями, що характеризується своєю «парціальною температурою». Якщо відмінністю температур іонів і нейтральних частинок можна знехтувати (їх маси розрізняються незначно), то температура електронів істотно перевищуватиме температуру важких частинок. Тим самим необхідна умовастворення інверсії населеностей на якійсь парі збуджених рівнів - відсутність термодинамічної рівноваги - в розряді, що тліє, свідомо виконано.

Далі процеси можуть проходити аналогічно описаної вище оптичної накачування, тільки роль збудливого фактора буде не поглинання випромінювання накачування, а зіткнення частинок у розряді з переважанням ролі електронів. Саме так відбувається накачування у більшості газових лазерів ( на нейтральних атомах інертних газівнайбільш типовим представником яких є гелій-неоновий; іоннихде найбільш примітний лазер на іонах аргону; молекулярних, де найбільшого поширення набув СО 2 -лазер). Як видно з найменування, для кожного з перерахованих газових лазерів як робітники використовуються переходи відповідних активних центрів. Нижче про кожен із цих типів лазерів буде розказано докладніше, у зв'язку з переважанням їх медичних застосувань.

Якщо на стінки розрядної трубки нанести провідні електроди і подати на них високочастотний сигнал, то при цьому тліючий розряд в активному середовищі з високою ефективністю сприймає потужність від утвореної електродами смужкової лінії . Використання високочастотного розряду для накачування газового активного середовища дозволяє підвищити ККД, зменшити габарити блоку живлення та позбавитися від високих напруг, що становлять небезпеку для обслуговуючого персоналу.

У газах інверсна населеність може бути отримана не тільки за рахунок збудження електричного розряду, а й за рахунок нагріву активної суміші (у тому числі і за рахунок процесів у камері згоряння) та її швидкого охолодження при закінченні через надзвукове сопло. Такий спосіб накачування лежить в основі дії газодинамічних лазерів.

Останнім часом найшвидше розширюється сфера застосування напівпровідникових лазерів, що працюють на міжзонних переходах напівпровідникових кристалів Найбільш ефективним способом накачування таких лазерах є інжекція, тобто. пропускання електричного струму через p-nперехід. З огляду на виняткову перспективність застосування напівпровідникових лазерів у медицині їм надалі буде приділено особливо пильну увагу.

Якщо система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги із зовнішнім середовищем, то ймовірність того, що якийсь атом знаходиться на енергетичному рівні характеризується множниками або Якщо загальна кількість атомів складових систему, то число атомів, що населяють енергетичні рівні, тобто населеності цих рівнів

Тут - статистичні ваги даних рівнів (ступеня виродження), тобто число різних станівчи наборів квантових чисел для даного енергетичного рівня.

Отже, співвідношення населення цих енергетичних рівнів визначається виразом

У разі невироджених станів, тобто коли маємо

Якщо при термодинамічній рівновазі населеність і температура, виражена через відношення населеностей рівнів, дорівнюватиме

Відповідно до другого закону термодинаміки система завжди прагне рівноваги, і якщо якийсь зовнішній вплив виведе

її зі стану термодинамічної рівноваги (наприклад, стану атомів активатора в рубіні після оптичного накачування), тоді система шляхом перерозподілу енергії сама перейде в новий термодинамічна рівновага. Зазвичай такі процеси, що повертають систему у стан рівноваги, називаються релаксаційними. Проаналізуємо вираз температури системи через населеність енергетичних рівнів.

1. якщо всі атоми знаходяться в основному в стійкому стані.

2. якщо населеність тобто низькі енергетичні рівні мають більшу населеність, ніж високі. Ці стани системи наближаються до рівноважного стану.

3. Якщо в результаті зовнішнього впливу нам вдалося перерозподілити частки в системі так, що населеність високих енергетичних рівнів стала більшою, ніж низьких, тобто легко переконатися, що цьому стану відповідає негативне значення температури. Такий стан системи називається станом з інверсною населеністю. Щоправда, слід враховувати, що з інверсної населеності розподіл Больцмана немає місця, тому визначення негативної температури можна як лише визначення нерівноважного стану.