Взаимодействия излучения с веществом. Условия получения лазера

Если в систему атомов попадает фотон энергии hν= W₂ -W₁ (W₂ >W₁) он может быть поглощен любым из числа атомов или вызвать индуцированный переход любого из числа N₁ атомов. А.Эйнштейн показал, что вероятность перехода пропорциональна населённости энергетического уровня. Это значит, что среда с равновесным (больцмановским) распределением атомов по энергиям (N₁ > N₂ всегда) будет, в основном, поглощать попадающее в неё излучение. Такая среда называется оптически неактивной, коэффициент поглощения её положителен.

В среде с осуществленной инверсией населенностей (N₂>N₁) вероятнее индуцированные переходы, которые приводят к усилению излучения. Среда с инверсией населенностей называется оптически активной, её коэффициент поглощения отрицателен.

Ясно, что для получения оптического квантового генератора- лазера, нужно вызвать в среде инверсию населённостей. Процесс получения инверсии между выбранными двумя уровнями является первым из необходимых условий получения лазера на твёрдотельной или газовой среде и называется накачкой. В твердотельных лазерах накачка оптическая, т.е. атомы возбуждаются вследствие облучения кристалла электромагнитными волнами. В газовых лазерах накачка обеспечивается, как правило, возбуждением атомов газовым разрядом. Вторым необходимым условием получения лазера на любой среде является наличие у неё метастабильных состояний. Среднее время жизни уровня, порядка τ -10^-8с. За это время невозможно совершить накачку, т.к. уровень успеет самопроизвольно разрушиться. Если же верхний из двух выбранных для получения лазера уровней будет метастабильным (время жизни τ-10^-3с), можно успеть населить его инверсию по сравнению с нижним, и прежде чем система придёт в равновесие (к распределению Больцмана), в ней можно вызвать индуцированное излучение с последующим усилением его, т.е. вызвать лазерный эффект.

Условием усиления и генерации индуцированного излучения- третьим необходимым условием получения лазера- является наличие оптического резонатора- системы параллельных зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями. Оптический резонатор обеспечивает обратную положительную связь (т.е. возвращение вторичных, вновь рожденных, фотонов в активную среду в качестве первичных) и избирательность излучения по частоте (коэффициенты отражения диэлектрических покрытий подбираются таким образом, чтобы отражались волны нужной частоты и поглощались остальные). Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы между идущей к зеркалу и отраженной волной выполнялось условие интерференции 2dn=kλ, что приводит к резкому усилению выходящей через зеркало электромагнитной волны.

Перечисленные условия являются общими для всех лазеров. Отличаются лазеры: 1) рабочей средой 2) способом накачки 3)конструкцией резонатора 4) режимом работы.

В данной лабораторной работе рассматриваются принципы работы и исследуются характеристики газового гелий-неонового лазера, отличительной особенностью которого является острая направленность, высокая монохроматичность, пространственная когерентность и стабильность частоты излучения.