1.2. Принцип работы лазера

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями Пусть в этой среде в направлении оси распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов Тогда в соответствии с выражениями (1.3) — (1.6) изменение плотности потока обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое (заштрихованная область на рис. 1.2) определяется уравнением

Из уравнения (1.7) следует, что в случае среда ведет себя как усиливающая (т. е. ), а в случае — как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если — населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

Рис. 1.2. Изменение плотности потока фотонов при прохождении плоской электромагнитной волны через слой вещества толщиной

где — постоянная Больцмана, абсолютная температура среды. Таким образом, мы видим, что в случае термодинамического равновесия . В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого то среда будет действовать как усилитель. В этом случае будем говорить, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что разность населенностей противоположна по знаку той, которая существует в обычных условиях Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Если частота перехода попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий усилитель называется мазером. Слово мазер (англ. maser) образовано из начальных букв слов следующей фразы: microwave amplification by stimulated emission of radiation — усиление микроволн вынужденным испусканием излучения. Если же частота перехода соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером. Слово лазер (англ. laser) образовано аналогично, только начальная буква происходящая от первой буквы в слове microwave, заменена буквой происходящей от слова (свет).

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В СВЧ-диапазоне это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте . В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. 1.3). В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения.

Однако как в мазерах, так и в лазерах генерация возможна лищь при выполнении некоторого порогового условия. Например, в лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловленные частичным выходом излучения из резонатора через зеркало). В соответствии с выражением (1.7) усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно , где — длина активной среды. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия где — коэффициенты отражения зеркал по интенсивности.

Рис. 1.3. Схема устройства лазера.

Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению называемому критической инверсией и определяемому соотношением

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. Однако теперь слово лазер широко применяется к любому устройству, испускающему вынужденное излучение — будь то в дальнем или ближнем и даже в рентгеновском диапазонах. В таких случаях мы будем говорить соответственно об инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лазерах. Заметим также, что названия твердотельный, жидкостный и газовый лазер определяются агрегатным состоянием активной среды.