Laser2

312

Wykres ilustrujący rozkład Maxwella-Boltzmanna

e-Ęq

Jak pokazuje wykres, funkcja wykładnicza, e ^kT bardzo szybko maleje ze wzrostem energii E. Widzimy również, że w każdej temperaturze N < N₀, czyli stan wzbudzony jest słabiej obsadzony aniżeli stan podstawowy. Aby wywołać akcję laserową należy dokonać odwrócenia (inwersji) obsadzeń, czyli wytworzyć rozkład antyboltzmanowski. Do tego celu wykorzystuje się substancje mające wśród swoich stanów energetycznych stany wzbudzone, w których atomy mogą pozostawać znacznie dłużej niż jak to zwykle bywa około 10 ^x s. Poziomy energetyczne odpowiadające tym stanom nazywamy metatrwałymi.

Rozpatrzmy układ atomów o poziomach energetycznych E_h Et, £₃ (rysunek). Poziom 2 jest poziomem metatrwałym, a poziom 3 poziomem krótkożyjącym.

3 ■2

promieniowanie

laserowe

>

poziom

krótkożyjący

poziom

metatrwały

E3-7*

E,--

pompowanie

>

i przejście ^hezpromieniste

1

E,

Wprowadzamy do układu silną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości

Kwanty tego promieniowania przenoszą atomy z poziomu energetycznego 1 na poziom 3. Proces ten nazywamy pompowaniem optycznym. W czasie gdy trwa pompowanie zachodzą samorzutne przejścia 3->2, które powodują szybki wzrost liczby obsadzeń poziomu 2 (zachodzą również samorzutne przejścia 3—>1). Duża różnica czasu życia w stanach 3 i 2 powoduje, że więcej atomów znajdzie się w stanie 2 niż w 1. Jeśli na przygotowany w ten sposób układ skierujemy foton o częstotliwości

12 ^-

v

zwanej częstotliwością rezonansową, to prawdopodobieństwo, że zostanie on pochłonięty, jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo, że wymusi on przejście ze stanu 2 do stanu 1. Tak rozpocznie się lawinowy proces emisji wymuszonej. Proces ten może rozpocząć się również w wyniku jednego z przejść spontanicznych atomów z poziomu metastabilnego (2) na podstawowy (1).

Aby nastąpił lawinowy rozwój emisji wymuszonej, konieczne jest sprzężenie zwrotne dzięki któremu część sygnału z wyjścia urządzenia podawana jest na jego wejście. W tym celu ośrodek aktywny (układ atomów), w którym doprowadza się do inwersji obsadzeń, umieszcza się między dwoma równoległymi zwierciadłami płaskimi (w rezonatorze) w odległości równej całkowitej wielokrotności połowy długości fali promieniowania o częstotliwości v₁₂. Fotony biegnące prostopadle do zwierciadeł wskutek wielokrotnych odbić przebywają w układzie dostatecznie długo, co zapewnia rozwój lawinowej emisji wymuszonej. Jedno ze zwierciadeł jest częściowo przezroczyste. Przez nie światło wydostaje się na zewnątrz w