Создание инверсии населённостей в лазерной среде
Для того чтобы понять, как создается инверсия населенностей, рассмотрим принципы действия обычного гелий-неонового лазера в читающем устройстве кассового аппарата. В этих лазерах электрический ток высокого напряжения возбуждает (или накачивает) электроны в атомах гелий-неоновой смеси и переводит их из основного состояния на более высокие уровни энергии. Через некоторое характерное время электрон спонтанно (самопроизвольно) переходит на более низкую орбиту. В процессе перехода испускается фотон, энергия которого равна разности энергий между двумя орбитами.
Некоторые испущенные таким образом фотоны сталкиваются с другими возбужденными атомами и вызывают переходы их возбужденных электронов на более низкий уровень энергии. В процессе этого вынужденного перехода атом испускает фотон. Если все переходы происходят между одной и той же парой уровней энергии, то все фотоны будут иметь одну и ту же энергию и, следовательно, одну и ту же длину волны. Квантовая механика утверждает также, что все эти фотоны будут испускаться в том же направлении и с той же фазой, что и падающие фотоны. В обычном лазере этот процесс повторяется за счет многократных отражений между зеркалами. В результате нарастает лавина фотонов, причем все они имеют одну длину волны, движутся водном направлении и имеют одинаковую фазу. На английском языке этот процесс описывается словами: light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света с помощью вынужденного испускания излучения), а сокращенно laser, откуда и произошло слово лазер.
Лазерной генерации, однако, не возникает, если количество атомов с возбужденными электронами не будет больше, чем количество атомов с электронами на более низком уровне энергии. Такая ситуация известна как инверсия населенностей. Создать инверсию населенностей трудно, потому что в соответствии с основными законами статистической механики в обычном состоянии термодинамического равновесия более низкие уровни энергии заняты большим числом электронов, чем верхние. С высоких уровней электроны стремятся быстро перейти на нижние и тем самым установить это равновесие. Если атомов с электронами на нижнем уровне больше, чем атомов с электронами на верхнем уровне, то фотоны чаще поглощаются, чем излучаются, и лазерной генерации не происходит. Для создания «хорошей» инверсии населенностей электроны на возбужденные состояния необходимо накачивать быстрее, чем они переходят вниз.
Энергия испущенного фотона равна энергии, отданной электроном при переходе с верхнего уровня на нижний. Поэтому если энергия мягкого рентгеновского фотона в 100 раз больше энергии оптического фотона, то для возбуждения электронов, чтобы они смогли перейти на нужные уровни, в рентгеновском лазере требуется приложить по крайней мере в 100 раз большую энергию, чем в оптическом лазере. Разности энергий между уровнями в гелий-неоновой смеси и других веществах, применяемых в оптических лазерах, слишком малы для того, чтобы при электронных переходах испускались фотоны с высокой энергией. Для решения этой задачи мы в Ливерморской лаборатории выбрали химические элементы с большими атомными номерами, т. е. элементы, ядро которых содержит большое количество протонов. В атомах таких элементов за счет большого числа протонов в ядре ближе всего расположенные к нему электроны испытывают сильное электрическое притяжение к ядру. Для возбуждения этих электронов требуется много энергии, и потому при их переходах испускаются фотоны высокой энергии.
Но одного лишь выбора элементов с большими атомными номерами еще недостаточно. Официальный сайт плей фортуна дарит бонусы и ежедневные акции.
