Квантовое усиление и генерация света. Инверсное состояние вещества (методы осуществления инверсии населенностей). Лазеры. Рубиновый и гелий-неоновый

При прохождении света через среду осуществляется обмен квантами между пучком света и атомами среды посредством поглощения и испускания фотонов Пусть свет частоты ν распространяется вдоль оси Z через среду, в которой концентрации атомов на верхнем и нижнем уровнях равны соответственно N₁ и N Тогда интенсивность пучка определяется законом Бугера: I(z)= I0 eα z ^z, где - коэффициент Эйнштейна, V - скорость света в среде, I₀=I( 0 ). В состоянии термодинамического равновесия концентрации атомов, обладающих энергией E_i, описываются распределением Больцмана. Поэтому населенность уровня с более высокой энергией должна быть меньше, чем с низкой. Поскольку E₁>E₀,, то в этом случае N₁<N₀, т.е. α<0 и плотность по тока по мере прохождения света уменьшается. Случай α<0 соответствует поглощению света средой.

Если привести систему атомов в неравновесное состояние, когда N₁>N₀, то выполнится условие α>0, и среда будет не поглощать, а усиливать излучение. Состояние среды, при котором N₁>N₀, называется состоянием с инверсной населенностью. Привести систему в неравновесное состояние можно при помощи внешних воздействий, например светового пучка, вызывающего вынужденные переходы(для систем с колличеством уровней большим 2х).

Лазеры имеют целый ряд преимуществ по сравнению с не-лазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, то есть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплиту-де, направлению распространения. Поэтому оно монохроматич-но, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направ-ленность.

Рубиновый лазер. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектром излучения

Гелий-неоновый лазер. Инверсия населенности в гелий-неоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем, сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, и т. д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях доля возбужденных атомов может оказаться столь вели-ка, что возникнет инверсия населенности.