Механизм инверсной заселенности на примере системы энергетических уровней ионов хрома в рубине

Рассмотрим теперь, как механизм инверсной заселенности реализуется в рубиновом лазере. Активной средой является рубин- кристалл, основой которого является корунд, т е. кристалл окиси алюминия – Al₂O₃. В нем небольшая часть атомов алюминия (~ 0,05%) замещена ионами хрома. Эти ионы и играют основную роль в работе квантового генератора. Упрощенная система энергетических уровней иона хрома дана на рис. 6.

В этой системе метастабильным является уровень 2. Рассмотрим принцип создания инверсии в этом случае. За счет внешнего источника излучения подходящей частоты (импульсной газоразрядной лампы) ионы хрома переводятся в энергетическое состояние Е₃. Их время жизни в этом состоянии много меньше времени жизни на уровне Е₂, и они относительно быстро, безизлучательным путем, отдав излишек энергии кристаллической решетке, переходят в состояние Е₂, накапливаясь там. Так создается инверсия населенности, приводящая к выполнению основного условия, необходимого для возникновения усиления (n₂ > n₁). Затем спонтанное излучение (при переходе Е₂→Е₁) играет роль затравочного кванта для последующей генерации лазерного излучения.

7. Общая схема лазера, назначение его основных компонентов: активного элемента, системы накачки и резонатора

Рассмотрим принципиальное устройство рубинового лазера (рис. 7).

Он состоит из активного вещества 1 (рубинового стержня), системы накачки 2 (две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор. Коэффициент отражения зеркала 3 равен 100% (оно называется глухим), зеркала 4 (выходного) – меньше 100%. После того как в рубиновом стержне под действием вспышки газоразрядной лампы достигнуто состояние инверсии в нем возникают многочисленные акты спонтанного излучения (при переходе Е₂→Е₁).

Пусть какой-нибудь из возбужденных атомов хрома, находящийся на уровне Е₂, спонтанно испускает фотон (затравочный квант), летящий вдоль оси стержня перпендикулярно зеркалам. Этот фотон вызывает вынужденное излучение других атомов хрома, и образуется лавина фотонов. Поскольку волны, соответствующие этим фотонам, точно совпадают по фазе, возникает электромагнитная волна с непрерывно увеличивающейся амплитудой. Дойдя до зеркала, она отражается и проходит вдоль стержня в обратном направлении. В результате многократного отражения образуется мощное монохроматическое когерентное излучение. При каждом акте прохождения часть излучения выходит через зеркало 4, образуя лазерный луч.

Излучение, вызванное фотонами, движущимися под каким-то углом к оси стержня, не может многократно отражаться от зеркал и усиливаться. Этим объясняется высокая направленность излучения лазера.