Să caracterizăm procesele cuantice de emisie și absorbție a fotonilor de către atomi. Fotonii sunt emiși numai de atomii excitați. Prin emiterea unui foton, atomul pierde energie, iar mărimea acestei pierderi este legată de frecvența fotonului prin relația (3.12.7). Dacă un atom, dintr-un anumit motiv (de exemplu, din cauza unei coliziuni cu un alt atom) intră într-o stare excitată, această stare este instabilă. Prin urmare, atomul revine la o stare de energie mai mică prin emiterea unui foton. O astfel de radiație se numește spontan sau spontan. Astfel, emisia spontană are loc fără acțiune externă și se datorează numai instabilității stării excitate. Diferiți atomi radiază în mod spontan independent unul de celălalt și generează fotoni care se propagă într-o varietate de direcții. În plus, un atom poate fi excitat în diferite stări, astfel încât emite fotoni de diferite frecvențe. Prin urmare, acești fotoni sunt incoerenți.

Dacă atomii se află într-un câmp luminos, atunci acesta din urmă poate provoca tranziții atât de la un nivel inferior la unul superior, însoțite de absorbția unui foton, cât și invers cu emisia unui foton. Radiația cauzată de impactul asupra atomului a unei unde electromagnetice externe cu frecvență de rezonanță, pentru care egalitatea (3.12.7) este satisfăcută, se numește induse sau forţat. Spre deosebire de emisia spontană, doi fotoni participă la fiecare act de emisie stimulată. Unul dintre ele se propagă dintr-o sursă terță parte și acționează asupra atomului, iar celălalt este emis de atom ca urmare a acestui efect. O trăsătură caracteristică a emisiei stimulate este coincidența exactă a stării fotonului emis cu starea celui extern. Ambii fotoni au aceiași vectori de undă și polarizări, ambii fotoni au, de asemenea, aceleași frecvențe și faze. Aceasta înseamnă că fotonii emisiei stimulate sunt întotdeauna coerenți cu fotonii care au cauzat această emisie. Atomii din câmpul luminos pot absorbi, de asemenea, fotoni, în urma cărora atomii sunt excitați. Absorbția rezonantă a fotonilor de către atomi este întotdeauna un proces indus care are loc numai în câmpul radiațiilor externe. În fiecare act de absorbție, un foton dispare, iar atomul trece într-o stare cu o energie mai mare.

Ce procese vor predomina în interacțiunea atomilor cu radiația, emisia sau absorbția fotonilor, va depinde de numărul de atomi cu energie mai mare sau mai mică.

Einstein a aplicat metode probabilistice pentru a descrie procesele de emisie spontană și stimulată. Pe baza considerațiilor termodinamice, el a demonstrat că probabilitatea tranzițiilor stimulate însoțite de radiație trebuie să fie egală cu probabilitatea tranzițiilor stimulate însoțite de absorbția luminii. Astfel, tranzițiile forțate pot avea loc cu probabilitate egală atât într-o direcție cât și în cealaltă.

Să considerăm acum mulți atomi identici într-un câmp luminos, pe care îi vom presupune a fi izotropi și nepolarizați. (Atunci dispare întrebarea dependenței coeficienților introduși mai jos de polarizarea și direcția radiației.) Fie și fie numerele de atomi în stări cu energii și , iar aceste stări pot fi luate de oricare din numărul de stări admisibile, dar . si se numeste populație de niveluri energetice. Numărul de tranziții ale atomilor de la stare la stare pe unitatea de timp în timpul emisiei spontane va fi proporțional cu numărul de atomi din stare:

Numărul de tranziții ale atomilor între aceleași stări în timpul emisiei stimulate va fi, de asemenea, proporțional cu populația P - al treilea, dar și densitatea de energie spectrală a radiației în câmpul căreia atomii sunt:

Numărul de tranziții de la t - wow mai departe P - al-lea din cauza interacțiunii cu radiația

Mărimile se numesc coeficienți Einstein.

Echilibrul dintre materie și radiație va fi atins cu condiția ca numărul de atomi care fac tranziția de la stare pe unitatea de timp Pîntr-o stare t va fi egal cu numărul de atomi care fac tranziția în sens invers:

După cum sa menționat deja, probabilitatea tranzițiilor forțate într-o direcție și în cealaltă este aceeași. Asa de .

Apoi din (3.16.4) se poate găsi densitatea energiei radiației

Distribuția de echilibru a atomilor peste stări cu energii diferite este determinată de legea Boltzmann

Apoi din (3.16.5) obținem

Ceea ce este în acord cu formula lui Planck (3.10.23). Acest acord conduce la concluzia despre existența emisiilor stimulate.

Lasere.

În anii 50 ai secolului XX au fost create dispozitive, la trecere, prin care undele electromagnetice sunt amplificate datorită radiațiilor stimulate. În primul rând, au fost create generatoare care funcționau în intervalul undelor centimetrice, iar puțin mai târziu a fost creat un dispozitiv similar care a funcționat în domeniul optic. A fost numit după primele litere ale numelui englezesc Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificarea luminii prin emisie stimulată) - laser. Se mai numesc si laserele generatoare cuantice optice.

Pentru ca intensitatea radiației să crească în timpul trecerii materiei, este necesar ca pentru fiecare pereche de stări atomice, tranzițiile între care se produc odată cu emisia și absorbția fotonilor, populația din starea de energie superioară a fost mai mare decât populația din starea de energie inferioară. Aceasta înseamnă că echilibrul termic trebuie perturbat. Se spune că o substanță în care starea de energie superioară a atomilor este mai populată decât are starea de energie inferioară inversarea populaţiei.

Trecând prin materie cu inversarea populației a două stări atomice, radiația este îmbogățită cu fotoni, care provoacă tranziții între aceste stări atomice. Ca urmare, o amplificare coerentă a radiației are loc la o anumită frecvență, când emisia indusă de fotoni prevalează asupra absorbției acestora în timpul tranzițiilor atomilor între stările cu inversare a populației. O substanță cu inversare a populației se numește mediu activ.

Pentru a crea o stare cu inversarea populației, este necesar să se cheltuiască energie, cheltuind-o pentru depășirea proceselor care restabilesc distribuția de echilibru. Acest efect asupra unei substanțe se numește pompat. Energia pompei vine întotdeauna de la o sursă externă către mediul activ.

Există diferite metode de pompare. Pentru a crea inversarea populației de nivel în lasere, metoda cu trei niveluri este folosită cel mai des. Să luăm în considerare esența acestei metode folosind laserul rubin ca exemplu.

Rubinul este un oxid de aluminiu în care unii dintre atomii de aluminiu sunt înlocuiți cu atomi de crom. Spectrul energetic al atomilor (ionilor) de crom conține trei niveluri (Fig. 3.16.1) cu energii , și . Nivelul superior este de fapt o bandă destul de largă formată dintr-un set de niveluri strâns distanțate.

R

Caracteristica principală a sistemului cu trei niveluri este că nivelul 2, sub nivelul 3, trebuie să fie nivel metastabil. Aceasta înseamnă că tranziția într-un astfel de sistem este interzisă de legile mecanicii cuantice. Această interdicție este asociată cu o încălcare a regulilor de selectare a numerelor cuantice pentru o astfel de tranziție. Regulile de selecție nu sunt reguli absolute fără sărituri. Cu toate acestea, încălcarea lor pentru o anumită tranziție cuantică reduce semnificativ probabilitatea acesteia. Odată ajuns într-o astfel de stare metastabilă, atomul rămâne în el. În același timp, durata de viață a unui atom într-o stare metastabilă () este de sute de mii de ori mai mare decât durata de viață a unui atom într-o stare excitată obișnuită (). Acest lucru face posibilă acumularea de atomi excitați cu energie. Prin urmare, se creează o populație inversă de nivelurile 1 și 2.

Prin urmare, procesul decurge după cum urmează. Sub acțiunea luminii verzi de la o lampă bliț, ionii de crom trec de la starea fundamentală la starea excitată. Tranziția inversă are loc în două etape. În prima etapă, ionii excitați renunță la o parte din energia lor rețelei cristaline și trec într-o stare metastabilă. Se creează o populație inversă a acestei stări. Dacă acum un foton cu o lungime de undă de 694,3 nm apare într-un rubin care a fost adus într-o astfel de stare (de exemplu, ca urmare a unei tranziții spontane de la nivel la ), atunci emisia indusă va duce la multiplicare. de fotoni, copierea exactă a originalului (coerent). Acest proces are un caracter de avalanșă și duce la apariția unui număr foarte mare de fotoni care se propagă la unghiuri mici față de axa laserului. Astfel de fotoni, fiind reflectați în mod repetat de oglinzile cavității optice a laserului, parcurg o cale lungă în ea și, în consecință, întâlnesc ioni de crom excitați de foarte multe ori, provocând tranzițiile lor induse. Fluxul de fotoni se propagă apoi fascicul îngust,

Laserele Ruby funcționează în modul pulsat. În 1961, a fost creat primul laser cu gaz bazat pe un amestec de heliu și neon, care funcționează în regim continuu. Apoi au fost create lasere semiconductoare. În prezent, lista materialelor laser include multe zeci de substanțe solide și gazoase.

Proprietățile radiației laser.

Radiația laser are proprietăți pe care radiațiile provenite de la surse convenționale (non-laser) nu le au.

1. Radiația laser are un grad ridicat de monocromaticitate. Intervalul de lungime de undă al unei astfel de radiații este de ~ 0,01 nm.

2. Radiația laser se caracterizează printr-o coerență temporală și spațială ridicată. Timpul de coerență al unei astfel de radiații atinge secunde (lungimea de coerență este de ordinul m), care este de aproximativ ori mai mare decât timpul de coerență al unei surse convenționale. Coerența spațială la ieșirea laserului este menținută pe întreaga secțiune transversală a fasciculului. Cu ajutorul unui laser se poate obține lumină al cărei volum de coerență este de câteva ori mai mare decât volumul de coerență al undelor luminoase de aceeași intensitate obținute din cele mai monocromatice surse non-laser. Prin urmare, radiația laser este utilizată în holografie, unde este nevoie de radiații cu un grad ridicat de coerență.

Procesele de generare și recombinare a purtătorilor de sarcină sunt inseparabile unul de celălalt, deși sunt opuse ca conținut. Energia în timpul recombinării poate fi eliberată fie sub formă de foton (recombinare radiativă), sau sub forma unui fonon (recombinare neradiativă).

În ultimii ani, au fost dezvoltate o serie de tipuri de dispozitive care convertesc semnalele electrice în lumină. Principiul funcționării lor se bazează pe așa-numita radiație de recombinare - radiația cuantelor de lumină în timpul actelor de recombinare directă a perechilor electron-gaură.

Pentru recombinarea intensă, este necesar să existe simultan o densitate mare de electroni în banda de conducție și o densitate mare de niveluri libere (găuri) în banda de valență.

Astfel de condiții sunt create la un nivel ridicat de injecție de electroni într-un semiconductor de gaură cu o concentrație mare de acceptori.

Este evident că Pentru ca recombinarea radiativă corespunzătoare tranzițiilor directe să aibă loc, este necesar ca semiconductorul să aibă o structură de bandă adecvată: extremele benzii de valență și ale benzii de conducere trebuie să corespundă aceleiași valori a vectorului de undă .

În prezent, au fost studiati o serie de compuși semiconductori de tipurile A III B V, A II B VI, precum și alte sisteme binare (SiC) și ternare (cum ar fi GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe etc.), pe care p-n- joncțiuni care emit vibrații ușoare atunci când sunt pornite în direcția înainte. Astfel de surse de lumină semiconductoare pot fi foarte utile pentru o varietate de aplicații, cum ar fi dispozitivele de indicare.

Prin doparea unui semiconductor cu anumite impurități, este posibilă modificarea energiei de recombinare și, în consecință, a lungimii de undă a luminii emise datorită benzii de impurități. Astfel, joncțiunile p-n pe GaP dau două maxime de emisie: 5650 și 7000 Å. Joncțiunile P-n pe GaAsP oferă luminiscență în intervalul de la 6000 la 7000 Å. Luminescența în intervalul de lungimi de undă de 5600-6300 Å poate fi obținută cu joncțiuni de carbură de siliciu. Funcționarea în modul de recombinare radiativă are loc la densități de curent relativ mari (câteva sute de amperi pe centimetru pătrat) cu un randament cuantic de aproximativ 0,5-1,5%.

La densități de curent mai mari, care depășesc 500 a/cm2și ajungând la câteva mii a / cm 2, apare un fenomen calitativ nou -

Cu tensiunile externe la joncțiune care se apropie de diferența de potențial de contact (care corespunde unor densități de curent foarte mari), se întâmplă următoarele: numit inversarea populaţiei . Densitatea nivelurilor ocupate de electroni în banda de conducție devine mai mare decât densitatea nivelurilor ocupate de electroni în apropierea vârfului benzii de valență.

Se numește valoarea densității de curent la care are loc inversiunea populației curent de prag.

La curenți sub prag au loc acte aleatorii de recombinare; așa-zisul emisie spontană.

La curenți peste prag, o cuantă de lumină care trece printr-un semiconductor provoacă emisie stimulata - recombinarea simultană a unui număr de purtători de sarcină. În acest caz, are loc amplificarea sau generarea coerent vibrații ușoare, adică vibrații având aceeași fază.

Astfel, la densitățile de curent care depășesc valoarea de prag, unele tipuri de joncțiuni p-n semiconductoare pot fi surse laser radiatii. Avantajul laserelor cu semiconductor este că nu necesită pompare optică. Aici, rolul pompei optice este îndeplinit de curenți de injecție care creează o populație inversă. Laserele cu semiconductori pot avea eficiențe de peste 50% și sunt deosebit de avantajoase față de alte tipuri de lasere atunci când sunt utilizate în funcționare continuă.

Cel mai comun material pentru joncțiunile laser pn este arseniura de galiu. Folosind joncțiuni p-n pe arseniura de galiu în mod continuu, este posibil să se obțină unități de wați de radiație aproape monocromatică cu o lungime de undă de 8400 Å la temperatura azotului lichid. La temperatura camerei, lungimea de undă crește la 9000 Å.

Populația inversă în semiconductori poate fi creată nu numai prin injecție, ci și prin alte metode, de exemplu, prin excitarea electronilor folosind un fascicul de electroni.

§ 6 Absorbție.

Emisia spontană și stimulată

În condiții normale (în absența influențelor externe), majoritatea electronilor din atomi se află la cel mai scăzut nivel neexcitat E 1, adică un atom are o cantitate minimă de energie internă, nivelurile rămase E 2 , E 3 ....E n corespunzătoare stărilor excitate, au o populație minimă de electroni sau sunt libere deloc. Dacă atomul este în starea fundamentală cu E 1 , apoi sub acțiunea radiației externe, o tranziție forțată la o stare excitată cu E 2. Probabilitatea unor astfel de tranziții este proporțională cu densitatea radiației care provoacă aceste tranziții.

Un atom, aflat în stare excitată 2, poate, după un timp, să treacă spontan spontan (fără influențe externe) într-o stare cu o energie mai mică, eliberând surplus de energie sub formă de radiație electromagnetică, adică. emitând un foton.

Se numește procesul de emisie a unui foton de către un atom excitat fără influențe externe emisie spontană (spontană). Cu cât probabilitatea de tranziții spontane este mai mare, cu atât durata medie de viață a unui atom în stare excitată este mai scurtă. pentru că atunci, tranzițiile spontane nu sunt legate între ele emisia spontană nu este coerentă.

Dacă un atom în starea excitată 2 este expus la radiații externe cu o frecvență satisfăcătoarehn = E 2 - E 1, atunci are loc o tranziție forțată (indusă) la starea fundamentală 1 cu emisia unui foton cu aceeași energiehn = E 2 - E unu . Într-o astfel de tranziție, are loc radiația de către un atom în plus la fotonul sub care s-a produs tranziția. Radiația rezultată din expunerea externă se numește forţat. Astfel, în proces emisie stimulata sunt implicați doi fotoni: un foton primar care provoacă emisia de radiație de către atomul excitat și un foton secundar emis de atom. Fotoni secundari de nedistins din primar.

Einstein și Dirac au demonstrat că emisia stimulată este identică cu emisia stimulatoare: au aceeași fază, frecvență, polarizare și direcție de propagare.Þ Emisie stimulata strict coerent cu emisie forţată.

Fotonii emiși, care se deplasează într-o direcție și se întâlnesc cu alți atomi excitați, stimulează tranziții induse în continuare, iar numărul de fotoni crește ca o avalanșă. Cu toate acestea, împreună cu emisia stimulată, va avea loc și absorbția. Prin urmare, pentru a amplifica radiația incidentă, este necesar ca numărul de fotoni din emisiile stimulate (care este proporțional cu populația stărilor excitate) să depășească numărul de fotoni absorbiți. În sistem, atomii sunt în echilibru termodinamic, absorbția va prevala asupra emisiei stimulate, adică. Radiația incidentă va fi atenuată pe măsură ce trece prin materie.

Pentru ca mediul să amplifice radiația incidentă pe el, este necesar să se creeze starea de neechilibru a sistemului, la care numărul de atomi în starea excitată este mai mare decât în ​​starea fundamentală. Se numesc astfel de stări state cu inversarea populaţiei. Procesul de creare a unei stări de neechilibru a materiei se numește pompat. Pomparea se poate face prin metode optice, electrice și alte metode.

În mediile cu populație inversată, emisia stimulată poate depăși absorbția, adică. radiatia incidenta va fi amplificata la trecerea prin mediu (aceste medii se numesc active). Pentru aceste mass-media în legea lui Bouguereu = eu 0e- AX , coeficient de absorbție a - negativ.

§ 7. Lasere - generatoare cuantice optice

La începutul anilor '60, a fost creat un generator cuantic al gamei optice - un laser " Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații ” - amplificarea luminii prin emisie indusa de radiatii. Proprietăți ale radiației laser: monocromaticitate ridicată (frecvență luminoasă extrem de ridicată), orientare spațială clară, luminozitate spectrală uriașă.

Conform legilor mecanicii cuantice, energia unui electron într-un atom nu este arbitrară: poate avea doar un anumit interval (discret) de valori E 1, E 2, E 3 ... E n numit niveluri de energie. Aceste valori sunt diferite pentru diferiți atomi. Se numește setul de valori energetice permise spectrul energetic atom. În condiții normale (în absența influențelor externe), majoritatea electronilor din atomi se află la cel mai scăzut nivel excitat E 1, adică. un atom are o cantitate minimă de energie internă; alte niveluri E 2 , E 3 ..... E n corespund energiei superioare a atomului și sunt numite excitat.

În timpul tranziției unui electron de la un nivel de energie la altul, un atom poate emite sau absorbi unde electromagnetice, a căror frecvență n m n \u003d (E m - E n) h,

unde h - constanta lui Planck ( h = 6,62 10-34 Js);

E n - final, E m - Primul nivel.

Un atom excitat poate renunța la o parte din excesul său de energie, primit de la o sursă externă sau dobândit de acesta ca urmare a mișcării termice a electronilor, în două moduri diferite.

Orice stare excitată a unui atom este instabilă și există întotdeauna posibilitatea tranziției sale spontane la o stare de energie inferioară cu emisia unui cuantum de radiație electromagnetică. O astfel de tranziție se numește spontan(spontan). Este neregulat și haotic. Toate sursele obișnuite produc lumină prin emisie spontană.

Acesta este primul mecanism de emisie (radiație electromagnetică). În revizuit schema pe doua niveluri emisia de lumină, nu se poate realiza nicio amplificare a radiației. Energie absorbită h n eliberată ca cuantică cu aceeași energie h n și poți vorbi despre echilibru termodinamic: procesele de excitare a atomilor dintr-un gaz sunt întotdeauna echilibrate de procesele inverse de emisie.

§2 Schema pe trei niveluri

În atomii unei substanțe aflate la echilibru termodinamic, fiecare nivel excitat ulterior conține mai puțini electroni decât cel anterior. Dacă acționăm asupra sistemului cu radiații excitante cu o frecvență care intră în rezonanță odată cu trecerea între nivelurile 1 și 3 (schematic 1→ 3), atunci atomii vor absorbi această radiație și vor trece de la nivelul 1 la nivelul 3. Dacă intensitatea radiației este suficient de mare, atunci numărul de atomi care au trecut la nivelul 3 poate fi destul de semnificativ, iar noi, încălcând echilibrul distribuția populațiilor de nivel, va crește populația de nivelul 3 și, prin urmare, va reduce populația de nivelul 1.

De la nivelul al treilea superior, sunt posibile tranziții 3→ 1 și 3 → 2. Sa dovedit că tranziția 3→ 1 duce la emisia de energie E 3 -E 1 = h n 3-1 , iar tranziția 3 → 2 nu este radiativ: duce la populația „de sus” a nivelului intermediar 2 (o parte din energia electronilor este cedată substanței în timpul acestei tranziții, încălzind-o). Acest al doilea nivel se numește metastabil, și ca rezultat vor fi mai mulți atomi pe el decât pe primul. Deoarece atomii ajung la nivelul 2 de la nivelul solului 1 prin starea superioară 3 și revin înapoi la nivelul solului cu o „întârziere mare”, atunci nivelul 1 este „epuizat”.

Ca urmare, există inversiune, acestea. distribuția inversă inversă a populațiilor de nivel. Inversarea populației a nivelurilor de energie este creată de o intensă radiație auxiliară numită radiatia pompatași în cele din urmă duce la induse multiplicarea (forțată) a fotonilor într-un mediu invers.

Ca în orice generator, într-un laser, pentru a obține modul de generare, este necesar Părere. Într-un laser, feedback-ul este implementat folosind oglinzi. Mediul de amplificare (activ) este plasat între două oglinzi - plate sau mai des concave. O oglindă este solidă, cealaltă este parțial transparentă.

„Sămânța” procesului de generare este emisia spontană a unui foton. Ca urmare a mișcării acestui foton în mediu, acesta generează o avalanșă de fotoni care zboară în aceeași direcție. După ce a ajuns la o oglindă translucidă, avalanșa va fi parțial reflectată și parțial va trece prin oglindă spre exterior. După reflectarea din oglinda dreaptă, valul se întoarce, continuând să devină mai puternic. Mersul pe josl, ajunge in oglinda din stanga, se reflecta si din nou se repezi spre oglinda dreapta.

Astfel de condiții sunt create numai pentru undele axiale. Quanta din alte direcții nu sunt capabile să preia o parte notabilă din energia stocată în mediul activ.

Unda care iese din laser are un front aproape plat și un grad ridicat de coerență spațială și temporală pe întreaga secțiune transversală a fasciculului.

În lasere, diferite gaze și amestecuri de gaze sunt utilizate ca mediu activ ( lasere cu gaz), cristale și pahare cu impurități ale anumitor ioni ( lasere cu stare solidă), semiconductori ( lasere semiconductoare).

Metodele de excitare (în sistemul de pompare) depind de tipul mediului activ. Aceasta este fie o metodă de transfer a energiei de excitație ca urmare a unei coliziuni de particule într-o plasmă cu descărcare în gaz (lasere cu gaz), fie de transfer de energie prin iradierea centrilor activi cu lumină incoerentă din surse speciale (pompare optică în lasere cu stare solidă), sau injectarea de purtători de neechilibru prin p- n - tranziție, fie excitare printr-un fascicul de electroni, fie pompare optică (lasere cu semiconductor).

În prezent, a fost creat un număr extrem de mare de lasere diferite care produc radiații într-o gamă largă de lungimi de undă (200¸ 2 10 4 nm). Laserele funcționează cu impulsuri de lumină foarte scurte. t » 1·10 -12 s pot da, de asemenea, radiații continue. Densitatea fluxului de energie al radiației laser este de aproximativ 10 10 W/cm 2 (intensitatea Soarelui este de numai 7.10 3 W/cm 2).

Laserul este un dispozitiv care generează unde electromagnetice coerente datorită emisiei stimulate de microparticule ale mediului, în care se creează un grad ridicat de excitare a unuia dintre nivelurile de energie.

LASER. - din engleza. amplificarea luminii prin emisie stimulată.

Un generator cuantic optic transformă energia pompei în energia unei direcții înguste polarizate monocromatice coerente. Einstein a introdus conceptul de emisie stimulată. În 1939, omul de știință rus Fabrikant a ajuns la concluzia că este posibilă amplificarea luminii atunci când trece prin materie.

Conditii de lucru. Principiu.

• - emisie stimulata. Când un foton interacționează cu o moleculă excitată, lumina este amplificată. Numărul de tranziții forțate depinde de numărul de fotoni incidenti pe secundă și de numărul de electroni excitați.
• - populația inversă a nivelurilor de energie - o stare în care există mai multe particule la un nivel de energie mai mare decât la unul inferior. Un mediu activ este un mediu adus într-o stare de populație inversă. Este posibil să se creeze un IN numai prin eliminarea TD din starea de echilibru (metode de pompare)
• 1) pomparea optică a mediilor active transparente utilizează impulsuri de lumină de la o sursă externă.
• 2) pomparea cu descărcare electrică a mediilor active gazoase utilizează o sarcină electrică.
• 3) pomparea prin injecție a mediilor active semiconductoare utilizează el. actual.
• 4) pomparea chimică a mediului activ dintr-un amestec de gaze utilizează energia chimică. reacții între componentele amestecului.

Dispozitiv laser:

• 1) fluid de lucru - un mediu care este adus într-o stare activă de o influență externă
• 2) sistem de pompare - un dispozitiv pentru aducerea fluidului de lucru într-o stare activă
• 3) rezonator optic - două oglinzi plate una față de alta. Datorită reflexiilor multiple, are loc o emisie de fotoni asemănătoare unei avalanșe. Când intensitatea atinge o anumită valoare, începe generarea de radiații laser.

Caracteristicile radiației laser:

• 1) monocromaticitate ridicată
• 2) coerență - constanța diferenței de fază a fotonilor
• 3) intensitate mare până la 1014-1016 W/kV.cm.
• 4) colimare
• 5) polarizare - LI doar într-un singur plan.
• 6) putere mare de până la 10 (la 5 st) wați.

laser rubin.

Fluidul de lucru este oxid de Al + 0,05% oxid de crom, sistemul de pompare este optic, lungime de undă = 694,3 nm. Al are 2 niveluri de energie (sol și excitat). T \u003d 10 (în -8 st) s. Cromul are 3 niveluri de energie (bază, excitată, intermediară), T = 10 (la -3) s. Al își transferă energia atomilor de crom, ajută la entuziasm. Cromul este un mediu activ.

Laser cu heliu-neon.

Fluidul de lucru este un amestec de heliu și gaze neon în raport de 10: 1. Presiune 150 Pa. Atomi de neon - care emit, heliu - auxiliar. Sistem de pompare - el. deversare. Lungime de undă = 632,8 nm.

Prin absorbția unui foton, un atom trece de la un nivel de energie inferior la unul superior. În timpul tranziției spontane la un nivel inferior, un atom emite un foton. Pentru atomii unui anumit element chimic, sunt permise doar tranziții foarte specifice între nivelurile de energie. Ca urmare, atomii absorb doar acei fotoni a căror energie corespunde exact energiei de tranziție a unui atom de la un nivel de energie la altul. Vizual, acest lucru se manifestă prin existența pentru fiecare element chimic a spectrelor individuale de absorbție care conțin un anumit set de benzi de culoare.

Fotonul emis de un atom în timpul tranziției la un nivel energetic inferior are și o energie foarte definită, corespunzătoare diferenței de energie dintre nivelurile de energie. Din acest motiv, atomii sunt capabili să emită doar unde luminoase de anumite frecvențe. Acest efect se manifestă clar în funcționarea lămpilor fluorescente, adesea folosite în publicitatea stradală. Cavitatea unei astfel de lămpi este umplută cu un fel de gaz inert, ale cărui atomi sunt excitați de radiația ultravioletă, care apare atunci când un curent electric este trecut printr-un strat special care acoperă suprafața interioară a carcasei lămpii. Revenind la starea fundamentală, atomii de gaz dau o strălucire de o anumită culoare. Deci, de exemplu, neonul dă o strălucire roșie, iar argonul dă o strălucire verde.

Tranzițiile spontane (spontane) ale atomilor de la un nivel de energie superior la unul inferior sunt aleatorii. Radiația generată în acest caz nu are proprietățile radiației laser: paralelism al fasciculelor de lumină, coerență (coerența amplitudinilor și fazelor de oscilații în timp și spațiu), monocrom (monocromaticitate strictă). Cu toate acestea, în 1917, Albert Einstein a prezis existența tranzițiilor induse împreună cu tranzițiile spontane la un nivel de energie mai scăzut. Ulterior, această posibilitate a fost realizată în proiectarea laserelor. Esența acestui fenomen este că un foton al unui flux de lumină, întâlnind un atom excitat pe drum, scoate un foton din acesta cu exact aceleași caracteristici.

Ca rezultat, numărul de fotoni identici se dublează. Fotonul nou format, la rândul său, este capabil să genereze un alt foton prin lovirea lui dintr-un alt atom excitat. Astfel, numărul de fotoni identici crește ca o avalanșă. Radiația generată în acest caz se caracterizează printr-un grad ridicat de paralelism al fasciculelor fluxului luminos, coerență și monocrom, deoarece conține doar acei fotoni care au aceeași energie și direcție de mișcare.