Инверсия населенности
Мы уже знаем, что атом состоит из ядра, вокруг которого по стационарным орбитам движутся электроны, не излучая при этом энергии. В обычном невозбужденном атоме внешний электрон обращается вокруг ядра, находясь на самом низком энергетическом уровне. Если атом какимлибо путем приобретает энергию — либо при соударении, либо от излучения, — то внешний, электрон может перейти в возбужденное состояние с более высокой энергией, из которого он обычно через очень небольшой промежуток времени переходит обратно в стационарное состояние, излучая при этом в виде фотона тот избыток энергии, который у него был. Среди множества способов возбуждения электрона есть один, который нам уже встречался раньше, а именно флуоресценция. Свет подходящей длины волны возбуждает электрон, который быстро возвращается на исходный уровень, излучая при этом свет.
Теперь обратим внимание на то, что при обычном возбуждении флуоресценции только у ничтожной доли атомов электроны переходят на возбужденные уровни; у подавляющего большинства атомов электроны попрежнему занимают стационарные уровни. Однако если флуоресценция вызывается очень яркой вспышкой света, то в течение непродолжительного времени электронов на верхних уровнях будет больше, чем на нижних. Эта кратковременная ситуация называется инверсией населенности.
Когда в условиях инверсии населенности уровней электрон переходит на нижний уровень, испуская фотон, то последний, проходя через вещество, по сути дела, проходит через множество окружающих его возбужденных атомов и способен вызвать излучение фотола у какоголибо из них. Теория показывает, что оба фотона перемещаются в одном и том же направлении и к тому же они практически когерентны.
Каждый из этой пары фотонов может повторить тот же процесс, и через очень непродолжительное время благодаря своего рода цепной реакции образуется фотонная лавина, в которой все фотоны имеют одну и ту же частоту, все движутся в одном направлении и все оптически когерентны. Эта лавина фотонов может быть значительно усилена с помощью одного оптического трюка. Если всю систему поместить между двумя неполностью отражающими зеркалами (типа используемых в многолучевых интерферометрах), то в высокой степени когерентный и направленный свет будет многократно проходить внутри области с инверсией населенности. Поскольку скорость света очень велика, весь процесс многократного отражения света с постоянно нарастающей интенсивностью происходит за весьма малый промежуток времени, и при соблюдении необходимых условий возникает очень интенсивный и очень кратковременный световой импульс, обладающий совершенно особыми свойствами.
Наиболее распространенным материалом для лазера является стержень из искусственного рубина (подробнее - читать далее)