Изобразите на рисунке энергетическую трехуровневую схему, используемую в рубиновом лазере. Объясните принцип работы рубинового лазера.

Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер (Т. Мейман (р. 1927)). В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоро­вым. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия АЬОз, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов А1 замещены трехвалентными ионами Сг^{3 +} (0,03 и 0,05 % ионов хрома соответственно для розового и красного рубина). Для оптической накачки используется импуль­сная газоразрядная лампа. При интенсив­ном облучении рубина светом мощной им пульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня / на уровни широкой полосы 3 (рис. 310). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше Ю^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3-*-1 (они не­значительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с пере­дачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2-*-1 запрещен правила­ми отбора, поэтому длительность возбуж­денного состояния 2 атомов хрома поряд­ка Ю^-3 с, т.е. примерно на четыре по­рядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности на­качки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне /, т. е. воз­никает среда с инверсной населенностью уровня 2.

13. Изобразите на рисунке энергетическую четырехуровневую схему, используемую в гелий – неоновом лазере. Объясните принцип работы гелий – неонового лазера.

Первым газовым лазером непрерывно­го действия (1961) был лазер на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения, лампы же излучают свет в широком интервале длин волн; следовательно, применять их в ка­честве накачки невыгодно, так как ис­пользуется только часть мощности лам­пы. Поэтому в газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах. В гелий-неоновом лазере накачка про­исходит в два этапа: гелий служит носите­лем энергии возбуждения, а лазерное из­лучение дает неон. Электроны, образую­щиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые перехо­дят в возбужденное состояние 3 (рис.311). При столкновениях возбуж­денных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и они перехо­дят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответству­ющего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излуче­нию с А. = 0,6328 мкм.