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.
Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E2), прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого усилится (рис. 3). Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри — Перо (рис. 4), то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волны увеличивается в ekL раз, где k — коэффициент усиления в см-1, L — длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r (n) в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост r (n) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r (n), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.
Интерферометр Фабри — Перо, заполненный активной средой с достаточно большим коэффициентом усиления, представляет собой простейший Л. В Л. используются оптические резонаторы и др. типов — с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый резонатор). В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Л., могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами (рис. 4) преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получать излучение высокой направленности. Телесный угол DW, в котором сосредоточен поток излучения, может быть сделан , где D — диаметр зеркал. Для l » 1 мкм и D = 1 см величина » 10-8 (для тепловых источников DW ~ 2p).
Оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с частотами , где с — скорость света, n — целое число. В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен (рис. 5). При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент dnл определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина dnл может быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.
Существующие Л. различаются: 1) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.п.; см. ниже); 2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости); 3) конструкцией резонатора; 4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования к характеристикам Л.
Методы создания инверсии населённости. Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al (см. Рубин). Уровни энергии иона Cr3+ в рубине показаны на рис. 6. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10-8 сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и . Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях E 2 и составляет 10-3 сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1. Переходам E2 ® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E1. Это позволило создать Л., работающий на переходах E2 ® E1 и ® E1, генерирующий свет с длиной волны l » 0,7 мкм.
Для создания инверсии населённостей уровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ на уровни E2, за время, не превышающее 10-3 сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3 сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.
Метод оптической накачки обладает несколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только та часть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионов Cr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощается относительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицу объёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверсной населённостей уровней, в основном определяется особенностями используемой системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубине теряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственных колебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов (рис. 6, волнистые стрелки). Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л. достигает нескольких дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергии остаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давлении энергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагрев на десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд. Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки в лучшем случае не превышает нескольких % из-за неполного использования спектра ламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрической энергии в световую в самих лампах.
