45) Вимушене випромінювання
Лазер - пристрій, що генерує когерентні електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випромінювання мікрочастинок середовища, в якій створена висока ступінь збудження одного з енергетичних рівнів.
перехід електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній може відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля, частота якого дорівнює власній частоті переходу. Що виникає при цьому випромінювання називають вимушеним або індукованим. Вимушене випромінювання має дивовижну властивість. Воно різко відрізняється від спонтанного випромінювання. В результаті взаємодії порушеної атома з фотоном атом випускає ще один фотон тієї ж самої частоти, що поширюється в тому ж напрямку. Мовою хвильової теорії це означає, що атом випромінює електромагнітну хвилю, у якій частота, фаза, поляризація і напрям поширення точно такі ж, як і у первісної хвилі. В результаті вимушеного випускання фотонів амплітуда хвилі, що розповсюджується в середовищі, зростає. З точки зору квантової теорії, в результаті взаємодії порушеної атома з фотоном, частота якого дорівнює частоті переходу, з'являються два абсолютно однакових фотона-близнюка.
Саме вимушене випромінювання є фізичною основою роботи лазерів.
Інверсна населеність - такий стан середовища, при якому число частинок на одному з верхніх рівнів більше, ніж на нижньому.
У середовищі з інверсної населеністю ймовірність попадання фотона в збуджену частку більше, ніж в не збудженому. Тому процес подвоєння домінує над процесом поглинання і має місце посилення світла
Щоб проходить через шар речовини хвиля посилювалася, потрібно штучно створити умови, при яких n2> n1. т. е. створити інверсно населеність рівнів. Таке середовище є термодинамічно нерівноважної. Ідея використання нерівноважних середовищ для отримання оптичного посилення вперше була висловлена В. А. Фабрикант в 1940 році
Середовище, в якому створена інверсна населеність рівнів, називається активною. Вона може служити резонансним підсилювачем світлового сигналу. Для того, щоб виникала генерація світла, необхідно використовувати зворотний зв'язок. Для цього активне середовище потрібно розташувати між двома високоякісними дзеркалами, що відбивають світло строго назад так, щоб він багаторазово пройшов через активне середовище, викликаючи лавиноподібний процес індукованої емісії когерентних фотонів. При цьому в середовищі повинна підтримуватися інверсна населеність рівнів. Цей процес в лазерній фізиці прийнято називати накачуванням.
Пристрій лазера залежить від його призначення, режиму роботи, діапазону генеруються довжин хвиль, рівня генерується або енергії. Воно багато в чому визначається також тим, який вид енергії перетворюється лазером в когерентне випромінювання. Будь-лазер повинен складатися з трьох елементів:
1) пристрої, що поставляє енергію для переробки її в когерентне випромінювання
2) активного середовища, яка «вбирає» в себе цю енергію і перевипромінює її вигляді когерентного випромінювання
3) пристрої, що здійснює зворотний зв'язок