|
|
|
|
|
§ 31. Лазеры. Квантовая механика
Принцип действия лазераКвантовые генераторы«Запустить» лавину вынужденного излучения можно и без внешнего излучения: фотон, спонтанно излученный одним из атомов самой среды, вынудит другой атом излучить такой же фотон, затем два этих фотона вынудят ещё два атома излучить ещё два таких же фотона и так далее. При этом может возникнуть лавинообразный процесс (рис. 31.2). На этом основано действие квантовых генераторов.
Если излучение происходит в оптическом диапазоне, квантовые генераторы называют лазерами. Вынужденное излучение для генерирования мощных электромагнитных волн впервые использовали в 1954 году советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а также американский физик Ч. Таунс. Трёхуровневый лазерПри создании лазера часто используют систему трёх энергетических уровней атома, среди которых средний уровень является метастабильным, а нижний соответствует основному состоянию атома (рис. 31.3).
Под действием интенсивного внешнего излучения атомы переходят из основного состояния (уровень 1) в возбуждённое состояние (уровень 3, левая вертикальная стрелка). Время жизни в состоянии 3 очень мало, и поэтому вскоре многие атомы перейдут на метастабильный уровень 2 (этот переход показан наклонной стрелкой). Теперь в среде может начаться лавинообразный процесс генерации излучения (волнистые стрелки) при переходах с уровня 2 на основной уровень 1. Рубиновый лазерДля того чтобы вынужденное излучение действительно породило лавину, необходимо, чтобы как можно больше атомов, находящихся в метастабильном состоянии, «почувствовали» падающее на них излучение. А для этого нужно продлить время пребывания излучения внутри вещества. Рассмотрим, как это делается, на примере рубинового лазера. Кристалл рубина состоит из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома — именно атомы хрома и придают рубину его благородный цвет. Эти же атомы обладают и рассмотренной выше системой трёх энергетических уровней, средний из которых является метастабильным.
|
|
|