Трёхуровневая система рубина

Трёхуровневая система рубина

Классической схемой создания в среде инверсной населённости является система из трёх энергетических уровней E1, E2 и E3, в которой состояние E1 является основным, состояние E3 — «короткоживущим», а состояние E2 — «долгоживущим». Такие уровни имеются в кристаллах рубина.

Работа трёхуровневой системы показана на рис. 1. В начальной ситуации большинство атомов находится в основном состоянии E1.

Рис. 1. Инверсная населённость в трёхуровневой системе

Мощная вспышка лампы переводит большую часть атомов среды в возбуждённое состояние с энергией E3. Но электроны атомов не задерживаются на этом энергетическом уровне. Состояние E3 обладает малым временем жизни τ, равным примерно 10−8 с; по истечении данного промежутка времени электроны соскакивают с уровня E3 вниз — но не назад на уровень E1, а на промежуточный уровень E2.

Переход E3 → E2 не сопровождается излучением — энергия этого перехода передаётся тепловым колебаниям кристаллической решётки. Но самое главное заключается в том, что состояние E2 имеет огромное по атомным масштабам время жизни — порядка с. Эта величина, как видим, в 100000 раз больше времени жизни состояния E3; по этой причине энергетическое состояние E2 называется метастабильным.

Итак, в результате вспышки лампы атомы из основного состояния E1 транзитом через уровень E3 переводятся на метастабильный уровень E2, и благодаря большому времени жизни этого уровня начинают на нём накапливаться. Если переходы E1 → E3 совершаются достаточно быстро, то на уровне E2 окажется больше половины атомов среды — возникает инверсная населённость данного уровня!

Ну а затем достаточно небольшого числа спонтанных переходов E2 → E1, и излучённые фотоны вызовут лавину таких же, но теперь уже индуцированных лазерных переходов E2 → E1. Число фотонов, порождённых лазерными переходами, стремительно нарастает и создаёт импульс лазерного излучения.

Таким образом, луч лазера генерируется в ходе согласованного «сброса» многих атомов с уровня E2 на уровень E1. Атомы при этом излучают синхронно, «в такт», и волны, излучённые атомами, идентичны друг другу по частоте и фазе. Излучение лазера, будучи результатом наложения таких идентичных волн, получается когерентным — в отличие, например, от некогерентного света электрической лампочки, порождаемого спонтанным излучением различных атомов в случайные моменты времени.