Энергетические уровни и вынужденное излучение
Лазерное излучение формируется в соответствии с правилами квантовой механики, которые ограничивают атомы и молекулы дискретным количеством запасенной энергии, зависящим от природы атома или молекулы. Самый низкий уровень энергии для отдельного атома возникает, когда все его электроны находятся на ближайших возможных орбитах к ядру (см. электронная конфигурация). Это состояние называется основным состоянием. Когда один или несколько электронов атома поглощают энергию, они могут переместиться на внешние орбиты, и тогда атом называется «возбужденным». Возбужденные состояния, как правило, не стабильны; когда электроны переходят с более высоких уровней энергии на более низкие, они излучают дополнительную энергию в виде света.
Эйнштейн признал, что это излучение может происходить двумя способами. Обычно дискретные пакеты света, называемые фотонами, испускаются спонтанно, без вмешательства извне. В качестве альтернативы, пролетающий мимо фотон может побудить атом или молекулу излучать свет — если энергия пролетающего фотона точно соответствует энергии, которую электрон спонтанно высвобождает при переходе в конфигурацию с более низкой энергией. Какой процесс доминирует, зависит от соотношения конфигураций с более низкой и более высокой энергией. Обычно преобладают конфигурации с меньшей энергией. Это означает, что спонтанно испущенный фотон с большей вероятностью поглотится и поднимет электрон из низкоэнергетической конфигурации в высокоэнергетическую, чем побудит высокоэнергетическую конфигурацию опуститься в низкоэнергетическую конфигурацию, испустив второй фотон. До тех пор пока низкоэнергетические состояния будут встречаться чаще, вынужденное излучение будет угасать.
Однако если преобладают более высокоэнергетические конфигурации (это состояние известно как инверсия населенности), спонтанно испущенные фотоны с большей вероятностью будут стимулировать дальнейшее излучение, порождая каскад фотонов. Само по себе тепло не приводит к инверсии населенности; какой-то процесс должен избирательно возбуждать атомы или молекулы. Обычно это делается путем освещения лазерного материала ярким светом или пропускания через него электрического тока.
В простейшей системе, такой как мазер на аммиаке, построенный Таунсом, есть только два энергетических уровня. Более полезные лазерные системы имеют три или четыре энергетических уровня. В трехуровневом лазере материал сначала возбуждается до короткоживущего высокоэнергетического состояния, которое спонтанно переходит в несколько более низкоэнергетическое состояние с необычно большим временем жизни, называемое метастабильным состоянием. Метастабильное состояние важно, потому что оно задерживает и удерживает энергию возбуждения, создавая инверсию населенности, которая может быть в дальнейшем стимулирована для испускания излучения, возвращая вид в основное состояние. Рубиновый лазер, разработанный Теодором Мейманом, является примером трехуровневого лазера.
К сожалению, трехуровневый лазер работает только в том случае, если основное состояние депопулировано. Когда атомы или молекулы излучают свет, они накапливаются в основном состоянии, где могут поглотить вынужденное излучение и остановить действие лазера, поэтому большинство трехуровневых лазеров могут генерировать только импульсы. Эта трудность преодолевается в четырехуровневом лазере, где дополнительное переходное состояние находится между метастабильным и основным состояниями. Это позволяет многим четырехуровневым лазерам излучать стабильный луч в течение нескольких дней подряд.
