Геометрическая оптика

Лазеры

Возможны процессы, при которых поток излучения, про­ходя через вещество, будет не ослабляться, но усиливаться. Подобные процессы реализуются в приборах, получивших наз­вание квантовых усилителей и квантовых генераторов.

Квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого и инфракрасного излучения, получили название лазеров

В лазере усиление света производится излучением, инду­цированным светом, проходящим сквозь вещество.

Рассмотрим условия, при которых такое усиление возможно. Для определенности возьмем в качестве рабочего вещества атомар­ный газ, так что элементарными поглотителями и излучателями световых квантов будут свободные атомы.

Обозначим через 1 и 2 энергетические уровни атома, переход между которыми отвечает частоте усиливаемого излучения v, так что E1-E2=/hv. Остановимся только на тех переходах, которые реализуются при взаи­модействиях с излучением. Переход 1 à2 может произойти только при поглощении фотона, т. е. в результате взаи­модействия между атомом и проходящим потоком излучения. Что же касается перехода 2 à1, связанного с излучением фотона, то он может происходить спонтанно (независимо от действия излучения) и индуцирование (т. е. в результате воздей­ствия проходящего потока излучения).

Можно доказать, что при данной плотности потока излучения частоты v вероятность перехода 1 à2 равна вероятности инду­цированного перехода 2 à 1 ).

Если бы спонтанное излучение отсутствовало, то это означало бы, что равновесие между излучением и газом возможно при равном числе атомов в состояниях 1 и 2: N2 – N1 Наличие спонтанного излучения означает добавочную возможность переходов 2 -> 1, так что равновесие возможно только при N2 > N1 , что всегда имеет место при термодинамическом равновесии изолированных систем.

При спонтанном излуче­нии фотон имеет произвольное направление вектора импульса. Фотон индуцированного излучения имеет то же направление, что и фотон, вызвавший его появление. Более того, эти фотоны когерентны — в данной точке пространства и в данный момент времени фазы их волн почти в точности равны между собой (конечно, с точностью до целого числа 2л).

Если речь идет об усилении направленного потока излучения, то из сказанного следует, что интерес представляет лишь индуцированное, но не беспорядочное спонтанное излучение. Усиление проходящего через вещество потока излучения будет тем больше, чем больше будет число индуцированных переходов 2 _à 1 (это число пропорционально числу атомов в состоянии 2, т. е. N%) и чем меньше будет поглощение, т. е. число переходов 1 à2 (это число пропорционально NJ. Большое число спонтанных переходов нежелательно, так как спонтанное излучение, не уси­ливая проходящего потока, уменьшает ЛГ2 и увеличивает Nj.

Следовательно, условие, при котором можно достигнуть усиле­ния проходящего через вещество излучения, состоит в следующем:

Населенность уровня 2 должна быть больше населенности уровня 1, т. е. N2 > N1