229 (32)

440 9. Spektroskopia laserowa

energii do układu, czyli przenoszenie cząsteczek na poziom wzbudzony 2. sprawia, że absorpcja zachodzi do czasu wyrównania obsadzeń, co powoduje nasycenie. Pojawia się więc emisja spontaniczna i inwersja obsadzeń nie występuje. Inwersję obsadzeń można zrealizować za pomocą układu trój- lub ozteropoziomowego, przedstawionego na rysunku 9.1. Oznaczmy liczbą I stan podstawowy o energii E\, a stany wzbudzone - liczbami 2 i 3. Za pomocą na przykład światła, wzbudza się układ do poziomu 3., a więc hu\^ =    — E]. W szybkim procesie bezpro-

mienistego wytrącania energii układ może przejść do stanu 2. Możliwa jest wówczas sytuacja, w której nastąpi inwersja obsadzeń między poziomami 3. i 2. Akcja laserowa pojawia się jako wynik przejścia 2 —► 1. Na podobnej zasadzie pracuje laser czteropoziomowy przedstawiony także na rysunku 9.1. Inwersja obsadzeń występuje między poziomami 3. i 2. i przejście między tymi poziomami jest źródłem promieniowania laserowego.

Są dwa podstawowe rodzaje laserów: o stałej długości fali, czasami o kilku długościach fal, tzw. nieprzestrajalne oraz lasery generujące szerokie pasmo, czyli lasery przestrajalne. Różnica między laserami o stałej częstości i przestrajalnymi ma jedynie charakter ilościowy. Oba te rodzaje laserów różnią się jedynie zakresem strojenia, który jest bardzo wąski dla laserów stałych i znacznie szerszy dla laserów przestrajalnych.

Omówimy teraz dokładniej niektóre lasery. Po skonstruowaniu masera amoniakalnego przez Townes’a i współpracowników w 1954 r. pierwszym laserem był laser rubinowy zbudowany (1960 r.) z AI2O3 + -f 0,5% O2O3, na ciele stałym, trój poziomowy. Akcję laserową uzyskuje się w nim w wyniku emisji stymulowanej między odpowiednimi poziomami energii elektronowej jonu Cr³⁺. Większą moc, a zatem częściej stosowany jest laser czteropoziomowy na ciele stałym - laser neodymowy Nd³⁺ YAG. Akcję laserową uzyskuje się w wyniku emisji stymulowanej między odpowiednimi poziomami energii elektronowej jonu Nd³⁺ w polu krystalicznym związku Y3A1₅0]2- Ponieważ neodym jest ciężkim atomem, oddziaływanie spin-orbita jest duże i poziomy energetyczne są rozszczepione. Jon Nd³⁺ ma konfigurację elektronową stanu podstawowego ...4d¹⁰4/³5s²5p⁶. Term o symetrii ⁴I jest stanem podstawowym, zgodnie z regułą Hunda (L = 6, S — 3/2). Ważnym termem dla akcji laserowej jest także term ⁴F. Term ⁴I rozszczepia się na stany o następujących liczbach kwantowych: J — 15/2, 13/1, 11/2, 9/2. Poziomy te przedstawiono na rysunku 9.2a. 'Układ pobudzany jest

a)

Rys. 9.2. Schemat poziomów energetycznych: a) lasera Nd⁺³ YAG na ciele stałym; b) lasera gazowego helowo-neonowego

do stanów wysokoenergetycznych. Akcja laserowa pojawia się w wyniku przejścia między poziomami ⁴F₃/₂ ¹ 4In/2> dając światło o długości 1060 nm, co zaznaczone jest na rysunku 9.2a.

W laserach gazowych wykorzystuje się najczęściej zderzenia niesprę-żyste między atomami gazu do uzyskania inwersji obsadzeń. W 1962 r. skonstruowano laser helowo-neonowy będący źródłem światła niedużej mocy o 3391.3 nm; 1152.3 nm i czerwonej linii 632,8 nm wykorzystywanej często w skanerach używanych w supermarketach i w dalmierzach. Jest to laser czteropoziomowy. Składa się on z mieszaniny He i Ne o ciśnieniach 1,0 tor He i 0,1 tor Ne. Ze względu na 10-krotnie większą zawartość helu w komorze, przez którą są przepuszczane elektrony (pompowanie elektryczne), zderzeniom podlegają głównie atomy helu. Zderzenia te produkują atomy helu w ich wzbudzonych stanach elektronowych, m.in. ³Si o konfiguracji ls^s¹ i ^lSo o konfiguracji ls¹2s¹,