4. Рубиновый лазер Меймана

§ 1. ВЫНУЖДЕННОЕ ИСПУСКАНИЕ В РУБИНЕ

Исследования явлений усиления света в системах с инверсией населенности увенчались в 1960 г. созданием рубинового лазера (рис. 4.1). Это было сделано Мейманом [1—5] в исследовательской лаборатории фирмы «Хьюз» в Малибу, шт. Калифорния. Напомним вкратце принципиальные положения из работ Меймана, опубликованных в 1960 и 1961 гг. В первом сообщении Меймана в «Phys. Rev. Letters» [1], посвященном оптическим и микроволново-оптическим экспериментам с рубином, говорится об исследовании флюоресценции и об изменении населенности основного состояния при оптическом возбуждении. В последующих работах [2,3] сообщается уже об обнаружении явления вынужденного испускания в рубине в оптическом диапазоне. В двух следующих работах [4, 5] (вторая из них написана Мейманом совместно с Хоскинсом, Д’Хененсом, Асавой и Евтуховым) даны простая теория лазерного эффекта и подробное описание действия первого лазера. Рассмотрим (по Мейману) упрощенную схему энергетических уровней трехвалентного иона хрома (рис. 4.2) в предположении, что возбужденное состояние является короткоживущим, а время жизни метастабильного состояния относительно велико — порядка нескольких миллисекунд. При интенсивном возбуждении рубина лампой-вспышкой (т. е. в процессе оптической накачки) происходит заселение уровня 3. Возвращение иона хрома непосредственно в основное состояние маловероятно. Фактически осуществляется безызлучательный переход из состояния 3 в состояние 2, а затем — в среднем через (при комнатной температуре) — переход с излучением. Этому переходу соответствует флюоресценция на длине

Рис. 4.1. Д-р Т. Мейман — создатель рубинового лазера (в 1960 г. работал в фирме «Хьюз Эркрафт лэбораториз», США),

Рис. 4.2. Структура трех основных энергетических уровней кристалла рубина обозначением спонтанных (А или и вынужденных переходов.

волны 6943 А. Принимая во внимание все возможные переходы между уровнями в условиях термодинамического равновесия, получаем

Здесь через и S обозначены вероятности вынужденного, спонтанного и спонтанного безызлучательного переходов (в течение 1 с), — число ионов, находящихся в энергетических состояниях и 3, на единицу объема рубина. Значения характеризуют населенности энергетических уровней. — число ионов Из соотношений (4.1) получаем

Если вещество обладает высоким квантовым выходом флюоресценции, как, например, рубин, то Кроме того, оказывается, что Выражение (4.2) упрощается и приобретает вид

Вычитая из обеих частей этого равенства по единице, получаем

при условии, что Полагая получаем

Подставив эти значения в соотношение (4.3) и разделив его правую и левую части на получим

Инверсия населенности достигается при условии

Это граничное условие еще не обеспечивает возникновения генерации в системе, поскольку необходимо учитывать также потери лучистой энергии в оптическом резонаторе, заполненном возбужденным рубином. Для рубина средние времена жизни иона в состояниях 3 и 2 составляют при комнатной температуре и с соответственно [6].