Большая Советская Энциклопедия (ЛА)

  Задача создания источника когерентного света была решена лишь с появлением Л., в котором используется принципиально иной метод высвечивания возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

  Принцип работы лазера. Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света (см. Атом). Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней E₁, E₂ атомов или молекул среды (hn = E₂ — E₁, где h —Планка постоянная), к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E₁, в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E₂ (рис. 2, а). Число таких переходов пропорционально r (n) N₁, где r (n) — спектральная плотность излучения в эрг/см³, N₁ — концентрация атомов, находящихся на уровне E₁ (населённость уровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E₂, под действием квантов hn вынужденно переходят на уровень E₁ (рис. 2, б). Число таких переходов пропорционально r (n) N₂, где N₂ — концентрация атомов на уровне E₂. В результате переходов E₁ ® E₂ волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E₂ ® E₁ световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью (N₂ — N₁). В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N₁ всегда больше населённости верхнего N₂. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия населённостей уровней E₁ и E₂, при которой N₂ > N₁. При этом вынужденные переходы E₂ ® E₁ преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E₁ ® E₂. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

  Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E₂ ® E₁ волны по частоте n, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E ₂. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E₁, E₂, способную усиливать излучение частоты n = (E₂ — E₁)/h, обычно называют активной.