Obraz0 (95)

W celu podtrzymania tego procesu musimy więc użyć jakiegoś sposobu, by zachować odwrócenie (inwersję) obsadzeń stanów energetycznych. Przyrządy, w których zostało to zrealizowane, zwane są laserami bądź maserami, w zależności od tego, w jakim obszarze widma elektromagnetycznego działają. Do układu musi być dostarczana energia, najczęściej używa się do tego metody zwanej pompowaniem optycznym, którą opiszemy później. W wyniku otrzymuje się intensywną, spójną wiązkę monochromatyczną promieniowania.

W zwykłych atomowych źródłach światła rozkład faz fotonów emitowanych przez różne atomy jest przypadkowy i otrzymane promieniowanie jest niespójne. Powodem tego jest fakt, że nie ma związku pomiędzy chwilami, w których atomy dokonują swoich przejść.' Natomiast w laserowych źródłach światła atomy promieniują w fazie z promieniowaniem wymuszającym, ponieważ ich oscylacje ładunkowe są zgodne w fazie z tym promieniowaniem. Ponieważ w laserze promieniowanie wymuszające jest spójną, równoległą wiązką, powstałą na skutek odbić między ściankami komory rezonatora — dzięki temu wszystkie emitowane fotony są zgodne w fazie i tworzą wiązkę spójną. Otrzymane natężenie światła, będące kwadratem zsumowanych konstruktywnie amplitud, jest odpowiednio duże. Stanami, między którymi zachodzą przejścia, są górny metatrwały stan

0    stosunkowo długim czasie życia pozwalającym na to, żeby obsadzenie stanu było duże,

1    niższy stan podstawowy o nieskończenie długim czasie życia. Z zasady nieoznaczoności A£A/«Zz, z At równym długiemu czasowi życia górnego stanu, wnioskujemy, że nieokreśloność różnicy energii tych stanów jest mała i rozrzut częstotliwości emitowanego w przejściach promieniowania jest nieznaczny, co daje wysoce monochromatyczną wiązkę. W istniejących w praktyce urządzeniach wiązka jest także jednokierunkowa, a jej spójność umożliwia otrzymanie doskonałej kolimacji czy zogniskowania wiązki. To zwiększa jeszcze bardziej gęstość energii. Pewne pojęcie o koncentracji energii w wiązce laserowej daje fakt, że laser o mocy mniejszej od mocy typowej żarówki może wypalić otwór w metalowej płytce.

W laserze krystalicznym wykorzystującym kryształ rubinu niektóre atomy Al w cząsteczkach A1₂0₃ są zastąpione przez atomy Cr. Te domieszkowe atomy chromu są odpowiedzialne za działanie lasera. Na rys. 11.7 pokazaliśmy uproszczoną wersją schematu poziomów energetycznych chromu (najwyższy poziom jest w rzeczywistości multipletem).

(a) ą

t

stan krótkożyciowy

emisja spontaniczna

£

stan metatrwały

promieniowanie pompowania mw

5500 A

$

emisja

wymuszona

6943 A

stan podstawowy

Rys. 11.7. (a) Istotne poziomy energetyczne atomów chromu w laserze rubinowym. Poziom 3 jest bardzo rozmyty (duże A E), ponieważ ma on krótki czas życia (małe A/). Poziom 2 jest bardzo ostry (małe AE), ponieważ ma długi czas żyda (duże Ar). Pompowanie optyczne przenosi atom ze stanu podstawowego 1 do stanu wzbudzonego 3. Rozmycie tego ostatniego ułatwia proces. Następnie zachodzi spontaniczna emisja do stanu 2; wyzwolona w tym procesie energia zamienia się zwykle w energię mechaniczną kryształu rubinu, a nie w kwant promieniowania. Na koniec atom przechodzi ze stanu 2 do stanu podstawowego poprzez emisję spontaniczną lub wymuszoną przez fotony z innych takich przejść. Ponieważ poziom 2 jest bardzo wąski a poziom podstawowy jest nieskończenie wąski, promieniowanie to jest bardzo monochromatyczne.