го процесу є наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів. При подальшому взаємодії цих фотонів з порушеними атомами, аналогічними першого атома, може виникнути ланцюгова реакція розмноження однакових фотонів, летять абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появи вузькоспрямованого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідна середу, в якій збуджених атомів було б більше ніж збудженому, оскільки при взаємодії фотонів з збудженого атома відбувалося б поглинання фотонів. Така середа називається середовищем з інверсної населеністю рівнів енергії (рис. 2).
Рис.2. Схематичне зображення середовища з інверсної населеністю рівнів енергії.
Отже, крім вимушеного випускання фотонів збудженими атомами відбуваються також процес мимовільного, спонтанного випускання фотонів при переході збуджених атомів в збудженому стані і процес поглинання фотонів при переході атомів з невозбужденного стану в збуджений. Ці три процеси, що супроводжують переходи атомів в збуджені стани і назад, були постульовано, як вже говорилося вище, А. Ейнштейном в 1916
Якщо число збуджених атомів велика, і існує інверсна населеність рівнів (у верхньому, збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, не збудженому), то перше ж фотон, що народився в результаті спонтанного випромінювання, викличе наростаючу лавину появи ідентичних йому фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.
При одночасному народженні (принципово це можливо) великого числа спонтанно випущених фотонів виникає велика кількість лавин, кожна з яких буде поширюватися в своєму напрямку, заданому початковим фотоном відповідної лавини.
Рис.3. Спонтаннородівшіеся фотони, напрям поширення яких не перпендикулярно площині дзеркал, створюють лавини фотонів, що виходять за межі середовища
У результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні направленого променя, ні високою монохроматичности, оскільки кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Для того щоб середу зінверсної населеністю можна було використовувати для генерації лазерного променя, т. Е. Направленого променя з високою монохроматичністю, необхідно знімати інверсно населеність за допомогою первинних фотонів, що вже володіють однією і тією ж спрямованістю випромінювання і однієї і тієї ж енергією, співпадає з енергією даного переходу в атомі. У цьому випадку ми будемо мати лазерний підсилювач світла.
Існує, однак, і інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний з використанням системи зворотного зв'язку. На рис. 3 видно, що спонтанно народилися фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створюють лавини фотонів, що виходять за межі середовища. У той же час фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово посилилися в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне з дзеркал буде володіти невеликим пропусканням, то через нього буде виходити спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх налаштування щодо один одного і щодо поздовжньої осі середовища з інверсної населеністю зворотний зв'язок може виявитися на стільки ефективною, що випромінювання вбік можна буде повністю знехтувати в порівнянні з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це, дійсно, вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовується в більшості існуючих лазерів.
Деякі унікальні властивості лазерного випромінювання
Розглянемо деякі унікальні властивості лазерного випромінювання. При спонтанному випромінюванні атом випромінює спектральну лінію кінцевої ширини. При лавиноподібне наростання числа вимушено випущених фотонів в середовищі з інверсної населеністю інтенсивність випромінювання цієї лавини буде зростати, насамперед, в центрі спектральної лінії даного атомного переходу, і в результаті цього процесу ширина спектральної лінії початкового спонтанного випромінювання буде зменшуватися. На практиці в спеціальних умовах вдається зробити відносну ширину спектральної лінії лазерного випромінювання в 107 - 108 разів менше, ніж ширина самих вузьких ліній спонтанного випромінювання, що спостерігаються в природі.
Крім звуження лінії випромінювання в лазері вдається отримати розбіжність променя менш 10-4 радіана, т. е. На рівні кутових секунд.
Відомо, що спрямований вузький промінь світла можна отримати в принципі від будь-якого джерела, поставивши на шляху світлового потоку ряд екранів з маленькими отворами, розташованими на одній прямій. Уявімо собі, що ми взяли нагріте чорне тіло і за допомогою діа...
