Трирівнева система рубіна

Класичною схемою створення в середовищі інверсної населеності є система з трьох енергетичних рівнів El, E2 і E3, в якій стан Ei є основним, стан E3 – «короткоживущим», а стан E2 – «долгоживущим». Такі рівні є в кристалах рубіна. Потужний спалах лампи переводить більшу частину атомів середовища в збуджений стан з енергією E3. Але електрони атомів не затримуються на цьому енергетичному рівні. Стан E3 володіє малим часом життя т, рівним приблизно 10-8 с; після закінчення даного проміжку часу електрони зіскакують з рівня E3 вниз – але не тому на рівень El, а на проміжний рівень E2.

Перехід E3 ^ E2 не супроводжується випромінюванням – енергія цього переходу передається тепловим коливанням кристалічної решітки. Але найголовніше полягає в тому, що стан E2 має величезне по атомних масштабами час життя – порядку 10-3 с. Ця величина, як бачимо, в 100000 разів більше часу життя стану E3; з цієї причини енергетичний стан E2 називається метастабільним.

Отже, в результаті спалаху лампи атоми з основного стану El транзитом через рівень E3 переводяться на метастабільний рівень E2, і завдяки великому часу життя цього рівня починають на ньому накопичуватися. Якщо переходи Ei ^ E3 вчиняються досить швидко, то на рівні E2 виявиться більше половини атомів середовища – виникає інверсна населеність даного рівня!

Ну а потім досить невеликого числа спонтанних переходів E2 ^ Ei, і ізлучённие фотони викличуть лавину таких же, але тепер уже індукованих лазерних переходів E2 ^ Ei. Число фотонів, породжених лазерними переходами, стрімко наростає і створює імпульс лазерного випромінювання.

Таким чином, промінь лазера генерується в ході узгодженого «скидання» багатьох атомів з рівня E2 на рівень Ei. Атоми при цьому випромінюють синхронно, «в такт», і хвилі, ізлучённие атомами, ідентичні один одному по частоті і фазі. Випромінювання лазера, будучи результатом накладення таких ідентичних хвиль, виходить когерентним – на відміну, наприклад, від некогерентного світла електричної лампочки, породжуваного спонтанним випромінюванням різних атомів у випадкові моменти часу.

Посилання на основну публікацію