Pri chaotickom tepelnom pohybe je rozloženie energie medzi atómami nerovnomerné. Niektoré z atómov sú excitované, čo zodpovedá tomu, že sú na vyšších energetických úrovniach ako je hlavný. V podmienkach tepelnej rovnováhy a v neprítomnosti vonkajšieho elektromagnetického poľa väčšina atómov má minimum energie. Obrazne povedané, obyvateľov vyšších poschodí je menej ako obyvateľov nižších.
Pod vplyvom energetických vplyvov - zvýšenie teploty, osvetlenie, bombardovanie rýchlymi časticami - sa zvyšuje podiel excitovaných atómov, t.j. populácia vyšších úrovní. Tento proces je znázornený na obrázku 102, a, b.
Zdalo by sa, že so stúpajúcou teplotou je možné získať také rozloženie častíc na úrovniach, v ktorých je populácia horných úrovní väčšia ako populácia nižších úrovní. Ale nie je. Koniec koncov, vzrušený stav je nestabilný. S nárastom populácie horných úrovní sa zvyšuje pravdepodobnosť spontánnych prechodov, ktoré sú sprevádzané žiarením.
V roku 1939 sovietsky fyzik V. A. Fabrikant navrhol možnosť vytvorenia takého rozloženia energie častíc, v ktorom je počet excitovaných atómov väčší ako počet atómov v základnom stave (obr. 102, c). Takýto stav sa nazýva stav s inverznou populáciou úrovní (z latinského inversio – obrátiť sa).
Poďme zistiť, aké špeciálne vlastnosti sú vlastné stavu s inverznou populáciou úrovní.
Keď sa svetlo šíri látkou, svetlo sa zvyčajne absorbuje. Stáva sa to preto, že v stave termodynamickej rovnováhy je počet neexcitovaných atómov v látke oveľa väčší ako počet excitovaných, a preto fotóny častejšie interagujú s neexcitovanými atómami, t.j. sú látkou absorbované.
V látke s inverznou populáciou hladín je počet excitovaných atómov väčší ako počet neexcitovaných. V tomto prípade klesá pravdepodobnosť stretnutia fotónov s nevybudeným atómom, t.j. znižuje sa pravdepodobnosť absorpcie fotónov. Látka sa stáva priehľadnejšou alebo dokonca schopnou zosilňovať svetlo. Ak sa v ňom totiž pohybuje fotón, ktorého energia sa presne rovná rozdielu energií atómov v stavoch (obr. 102, c), potom pri interakcii s excitovaným atómom takýto fotón spôsobí indukované žiarenie. V dôsledku toho sa objaví druhý rovnaký fotón. Pri interakcii s ďalšími dvoma excitovanými atómami tieto dva fotóny spôsobia emisiu ďalších dvoch atómov. V konečnom dôsledku namiesto jedného fotónu vyjde z látky veľa fotónov, čo je zosilnenie svetla. Zosilnenie svetla je uľahčené tým, že fotóny s frekvenciou
slabo absorbovaný látkou. Médium sa nazýva aktívne, ak počet indukovaných fotónov v ňom prevyšuje počet absorbovaných.
Tieto vlastnosti médií s inverznou úrovňou populácie boli stanovené v roku 1951 V. A. Fabrikantom, M. M. Vudynskiim a F. A. Butaevom.
V roku 1964 vydal Štátny výbor pre vynálezy a objavy týmto vedcom objaviteľský diplom, v ktorom sa uvádza najmä: „Doteraz neznámy jav zosilňovania elektromagnetických vĺn pri prechode prostredím, v ktorom je koncentrácia častíc alebo ich sústav pri horné energetické hladiny zodpovedajúce excitovaným stavom sú nadmerné v porovnaní s koncentráciou v rovnovážnom stave“.
Aby sme sa naučili zosilnenie dopadajúceho svetla, je potrebné nejakým spôsobom invertovať populáciu úrovní. Tie. urobiť to tak, že väčšej hodnote energie zodpovedá väčší počet atómov. V tomto prípade sa o agregáte atómov hovorí, že má inverznú (inverznú) úroveň populácie.
Pomer počtu atómov na úrovniach a je rovný:
V prípade populačnej inverzie . Z toho vyplýva, že exponent musí byť väčší ako nula - . Ale . Preto, aby bol exponent väčší ako nula, je potrebné, aby teplota bola záporná - .
Preto sa stav s inverznou populáciou hladín niekedy nazýva stav so zápornou teplotou. Tento výraz je však podmienený, pretože samotný koncept teploty je použiteľný pre rovnovážne stavy a stav s inverznou populáciou je nerovnovážny stav.
V prípade populačnej inverzie bude svetlo prechádzajúce hmotou zosilnené. Formálne to zodpovedá skutočnosti, že koeficient absorpcie v Bouguerovom zákone bude záporný. Tie. súbor atómov s inverznou úrovňou populácie možno považovať za médium s negatívnym absorpčným koeficientom.
Takže, aby sme zosilnili svetlo látkou, musíme vytvoriť inverznú populáciu hladín tejto látky. Pozrime sa, ako sa to robí pomocou rubínového lasera ako príkladu.
Rubín je oxid hlinitý, v ktorom boli niektoré atómy hliníka nahradené atómami chrómu. Tento rubín je ožarovaný širokým spektrom frekvencií elektromagnetických vĺn. V tomto prípade prechádzajú ióny chrómu do excitovaného stavu (pozri obr. 4). Ióny hliníka v tejto veci nehrajú významnú úlohu.
Energetický stav je celý pás v dôsledku interakcie iónov s kryštálovou mriežkou. Od úrovne pre ióny chrómu sú možné dve cesty.
1. Návrat do počiatočného stavu s energiou s emisiou fotónu.
2. Prechod do metastabilného stavu s energiou tepelnou interakciou s iónmi kryštálovej mriežky hliníka.
Životnosť na úrovni, ako obvykle, sa rovná dobe životnosti v excitovanom stave - . Spontánny prechod na úroveň je označený šípkou a prechod do metastabilnej úrovne je označený šípkou.
Výpočty a experiment ukazujú, že pravdepodobnosť prechodu je oveľa väčšia ako pravdepodobnosť prechodu. Navyše, prechod z metastabilného stavu s energiou do základného stavu je zakázaný pravidlami výberu (pravidlá výberu nie sú absolútne striktné, naznačujú len väčšiu či menšiu pravdepodobnosť prechodu).
Preto je životnosť na metastabilnej úrovni , čo je 100 000-krát dlhšie ako životnosť na úrovni .
Pre dostatočne veľký počet atómov chrómu populačná inverzia hladina - počet atómov v hladine prekročí počet atómov v hladine, t.j. môžeme dostať, čo chceme.
Spontánny prechod z úrovne na hlavnú úroveň je označený šípkou , pričom fotón vznikajúci pri tomto prechode môže spôsobiť stimulovanú emisiu ďalšieho fotónu, ktorý je označený šípkou . Tento a tak ďalej. Tie. vzniká kaskáda fotónov.
Zvážte teraz technické zariadenie rubínový laser.
Ide o prút s priemerom rádu a dĺžkou . Konce tyče sú navzájom striktne rovnobežné a starostlivo leštené. Jeden koniec je dokonalé zrkadlo, druhý je priesvitné zrkadlo, ktoré prenáša blízko dopadajúcej energie.
Okolo rubínovej tyče je nainštalovaných niekoľko závitov pumpy - xenónová lampa pracujúca v pulznom režime.
Takže v tele tyče sa vytvorili stimulované fotóny. Tie fotóny, ktorých smer šírenia zviera malé uhly s osou tyčinky, budú opakovane prechádzať tyčinkou a spôsobia stimulovanú emisiu metastabilných atómov chrómu. Sekundárne fotóny budú mať rovnaký smer ako primárne, t.j. pozdĺž osi tyče. Fotóny z druhého smeru nevyvinú výraznú kaskádu a budú mimo hry. Pri dostatočnej intenzite lúča časť vychádza.
Rubínové lasery pracujú v pulznom režime s frekvenciou opakovania niekoľkých impulzov za minútu. Navyše sa v nich uvoľňuje veľké množstvo tepla, takže ich treba intenzívne chladiť.
Uvažujme teraz o prevádzke plynového lasera, najmä hélium-neónového lasera.
Skladá sa z kremennej trubice obsahujúcej zmes hélia a neónových plynov. Hélium je pod tlakom a neón je pod tlakom, pričom atómov hélia je asi 10-krát viac ako atómov neónu. Hlavné vyžarujúce atómy sú tu neónové atómy a atómy hélia hrajú pomocnú úlohu pri vytváraní inverznej populácie neónových atómov.
Čerpanie energie v tomto laseri sa uskutočňuje v dôsledku energie žeravého výboja. V tomto prípade sú atómy hélia excitované a prechádzajú do excitovaného stavu (pozri obr. 5). Tento stav pre atómy hélia je metastabilný, t.j. reverzný optický prechod pravidlá výberu zakazujú. Preto môžu atómy hélia prejsť do neexcitovaného stavu a pri zrážkach prenášať energiu na atómy neónu. V dôsledku toho sa atómy neónu dostanú do excitovaného stavu, ktorý je blízky stavu pre hélium. Atómy neónu sú excitované ako energiou žeravého výboja, tak aj zrážkami s atómami hélia.
Okrem toho sa úroveň odľahčí výberom takých rozmerov trubice, aby neónové atómy, ktoré sú na úrovni , by im odovzdali energiu počas kolízií so stenami a prešli na hlavnú úroveň.
V dôsledku týchto procesov sa pre neón vyskytuje inverzná úroveň populácie. Je možné sa pohybovať z úrovne na úroveň.
Hlavným konštrukčným prvkom tohto lasera je kremenná plynová výbojka s priemerom cca . Obsahuje elektródy na vytvorenie elektrického výboja. Na koncoch tubusu sú planparalelné zrkadlá, z ktorých jedno, predné, je priesvitné. Podmienky na zosilnenie vznikajú len pre tie fotóny, ktoré vyletujú rovnobežne s osou lasera.
Pracovná frekvencia lasera je prechod. Pravidlá výberu umožňujú približne tridsať prechodov. Pre zvýraznenie jednej frekvencie sú zrkadlá vyrobené viacvrstvové, vyladené tak, aby odrážali len jednu určitá vlna. Rozšírené sú lasery vyžarujúce vlnové dĺžky. Ale najintenzívnejší je prechod s vlnovou dĺžkou , t.j. v infračervenej oblasti spektra.
Plynové lasery pracujú nepretržite a nevyžadujú intenzívne chladenie.
Charakteristické rysy laserové žiarenie sú.
1. Časová a priestorová súdržnosť.
2. Prísna monochromatickosť.
3. Veľká sila
4. Úzkosť laserového lúča.
Prednáška 15. (2 hod.)
Na prvý pohľad je možné vytvoriť populačnú inverziu v médiu s dvoma energetickými hladinami Е 1 a Е 2 >Е 1. Napríklad sa to môže pokúsiť urobiť ožiarením média fotónmi s frekvenciou . Pretože za normálnych podmienok N2
Keď sa však populácie rovnajú N 2 = N 1, procesy stimulovanej emisie a absorpcie sa budú navzájom kompenzovať a nebude možné vytvoriť inverziu.
Preto sa pre lasery používajú médiá, v ktorých častice môžu zaberať nie dve, ale tri alebo štyri úrovne.
V prípade trojúrovňového systému (obr.) musí byť úroveň E2 metastabilná; životnosť častice na tejto úrovni je oveľa dlhšia ako životnosť na iných úrovniach excitovaného stavu. To znamená W 21<
V prípade štvorúrovňového systému je úroveň E 2 metastabilná, kým W 21<
Čerpanie sa spravidla vykonáva jedným z dvoch spôsobov: optickým alebo elektrickým. Pri optickom čerpaní je žiarenie silného svetelného zdroja absorbované aktívnym prostredím a prenáša tak atómy aktívneho prostredia do hornej úrovne. Táto metóda je obzvlášť vhodná pre pevnolátkové alebo kvapalné lasery. Mechanizmy rozšírenia čiar v tuhých látkach a kvapalinách vedú k veľmi výraznému rozšíreniu spektrálnych čiar, takže sa zvyčajne nezaoberá čerpaním hladiny, ale čerpaním absorpčného pásma. Tieto pásy absorbujú značnú časť svetla vyžarovaného lampou pumpy. Elektrické čerpanie sa uskutočňuje pomocou dostatočne intenzívneho elektrického výboja a je to užitočné najmä pre plynové a polovodičové lasery. Najmä v plynových laseroch, v dôsledku skutočnosti, že majú malú spektrálnu šírku absorpčných čiar a lampy čerpadiel poskytujú širokopásmové žiarenie, je dosť ťažké vykonávať optické čerpanie. Optické čerpanie by sa dalo veľmi efektívne využiť pre polovodičové lasery. Faktom je, že polovodiče majú silný absorpčný pás. Použitie elektrického čerpania sa však v tomto prípade ukazuje ako pohodlnejšie, pretože elektrický prúd prechádza polovodičom veľmi ľahko.
Ďalší spôsob čerpania je chemický. Existujú dva pozoruhodné typy chemického čerpania: 1) asociatívna reakcia, ktorá vedie k vytvoreniu molekuly AB v excitovanom vibračnom stave, a 2) disociačná reakcia, ktorá vedie k vytvoreniu častice B (atómu alebo molekuly) v vzrušený stav.
Ďalším spôsobom čerpania molekuly plynu je nadzvuková expanzia zmesi plynov obsahujúcej danú molekulu (gadodynamické čerpanie). Spomenúť treba aj špeciálnu formu optického čerpania, kedy sa laserový lúč využíva na čerpanie iného lasera (laserové čerpanie). Vlastnosti navádzaného laserového lúča ho robia veľmi pohodlným na čerpanie ďalšieho lasera a nie sú tu potrebné žiadne špeciálne zjasňovače, ako v prípade (nekoherentného) optického čerpania. Vzhľadom na monochromatickosť čerpacieho lasera nie je jeho použitie obmedzené len na pevnolátkové a kvapalinové lasery, ale možno ho použiť aj na čerpanie plynových laserov. V tomto prípade sa čiara vyžarovaná čerpacím laserom musí zhodovať s čiarou absorpcie čerpaného lasera. Používa sa napríklad na čerpanie väčšiny infračervených laserov.
V prípade optického čerpania sa svetlo z výkonnej nekoherentnej lampy prenáša na aktívne médium pomocou vhodného optického systému. Na obr. 1 sú znázornené tri najčastejšie používané čerpacie schémy. Vo všetkých troch prípadoch má médium tvar valcovej tyčinky. Znázornené na obr. la má lampa tvar špirály; v tomto prípade svetlo vstupuje do aktívneho prostredia buď priamo, alebo po odraze od zrkadlovej valcovej plochy (číslo 1 na obr. 1). Táto konfigurácia bola použitá na vytvorenie prvého rubínového lasera a stále sa niekedy používa pre pulzné lasery. na obr. 1b, lampa má tvar valca (lineárna lampa), ktorého polomer a dĺžka sú približne rovnaké ako polomer a dĺžka aktívnej tyče. Lampa je umiestnená pozdĺž jednej z ohniskových osí F1 zrkadlovo odrážajúceho eliptického valca (1) a laserová tyč je umiestnená pozdĺž druhej ohniskovej osi F2. Väčšina svetla vyžarovaného lampou sa odráža od eliptického valca do laserovej tyče. Na obr. 1c znázorňuje príklad takzvanej uzavretej konfigurácie. Laserová tyč a lineárna lampa sú umiestnené čo najbližšie k sebe a sú tesne obklopené valcovým reflektorom (1). Účinnosť tesne uzavretej konfigurácie zvyčajne nie je oveľa nižšia ako účinnosť eliptického valca. Často sa namiesto zrkadlových reflektorov v schémach na obr. 1a a c používajú valce vyrobené z difúzne reflexných materiálov. Používajú sa aj komplexné typy iluminátorov, ktorých konštrukcia využíva viac ako jeden eliptický valec alebo niekoľko svietidiel v tesne zbalenej konfigurácii.
Definujme účinnosť čerpadla cw lasera ako pomer minimálneho výkonu čerpadla Pm potrebného na vytvorenie určitého výkonu čerpadla k výkonu elektrického čerpadla P skutočne dodávanému do lampy. Minimálny výkon čerpadla možno zapísať ako , kde V je objem aktívneho média, vp je frekvenčný rozdiel medzi hlavnou a hornou úrovňou lasera. Šírenie rýchlosti čerpania pozdĺž aktívnej tyče je v mnohých prípadoch nehomogénne. Preto je správnejšie určiť priemerný minimálny výkon čerpadla , kde sa priemerovanie vykonáva na objeme aktívneho média. Touto cestou
Analogicky pre pulzný laser je priemerná účinnosť čerpadla
kde časový integrál sa berie od začiatku do konca impulzu pumpy a E je elektrická energia dodávaná do lampy.
Proces čerpania možno považovať za pozostávajúci zo 4 rôznych fáz: 1) emisia žiarenia z lampy, 2) prenos tohto žiarenia do aktívnej tyče, 3) jeho absorpcia v tyči a 4) prenos absorbovanej energie do horná hladina lasera.
Z výrazu (1) alebo (!а) je možné zistiť rýchlosť čerpania Wp:
Elektrické čerpanie sa používa v plynových a p/p laseroch. Elektrické čerpanie plynového lasera sa uskutočňuje prechodom priameho, vysokofrekvenčného (HF) alebo pulzného prúdu cez zmes plynov. Všeobecne povedané, prúd plynom môže prúdiť buď pozdĺž osi lasera (pozdĺžny výboj, obr. 2a) alebo cez ňu (priečny výboj, obr. 2b). V laseroch s pozdĺžnym výbojom majú elektródy často prstencový tvar a aby sa oslabila degradácia materiálu katódy v dôsledku kolízie s iónmi, je povrch katódy oveľa väčší ako plocha anódy. V laseroch s priečnym výbojom sú elektródy rozšírené po celej dĺžke laserového média. V závislosti od typu lasera sa používajú rôzne konštrukcie elektród. Schémy s pozdĺžnym výbojom sa zvyčajne používajú pre cw lasery, zatiaľ čo priečny výboj sa používa na čerpanie konštantnými, pulznými a RF prúdmi. Pretože priečne rozmery lasera sú zvyčajne oveľa menšie ako pozdĺžne, v tej istej zmesi plynov je napätie, ktoré sa musí použiť v prípade priečneho usporiadania, oveľa nižšie ako napätie pre pozdĺžne usporiadanie. Pozdĺžny výboj, ktorý sa vyskytuje v dielektrickej (napr. sklenenej) trubici (obr. 2a), však umožňuje dosiahnuť rovnomernejšie a stabilnejšie rozdelenie čerpadla.
Pri elektrickom výboji sa tvoria ióny a voľné elektróny a keďže získavajú dodatočnú energiu z aplikovaného elektrického poľa, môžu pri zrážke excitovať neutrálne atómy. Kladné ióny sú vďaka svojej veľkej hmotnosti urýchľované oveľa horšie ako elektróny, a preto nezohrávajú významnú úlohu v procese budenia.
5.20. Optické rezonátory. Gaussove lúče svetla.
V otvorených štruktúrach, ako je Fabry-Perotov interferometer, existujú charakteristické vibračné režimy. Dodnes je známe veľké množstvo modifikácií otvorených rezonátorov, ktoré sa navzájom líšia konfiguráciou a vzájomným usporiadaním zrkadiel. Najjednoduchší a najpohodlnejší rezonátor je tvorený dvoma sférickými reflektormi s rovnakým zakrivením, ktoré sú obrátené k sebe navzájom konkávnymi povrchmi a sú umiestnené vo vzdialenosti polomeru zakrivenia, ktorý sa rovná polomeru gulí od seba. Ohnisková vzdialenosť guľového zrkadla sa rovná polovici polomeru zakrivenia. Preto sa ohniská reflektorov zhodujú, v dôsledku čoho sa rezonátor nazýva konfokálny (obr. 1). Záujem o konfokálny rezonátor je spôsobený pohodlnosťou jeho nastavenia, ktoré nevyžaduje paralelnosť reflektorov navzájom. Je len potrebné, aby os konfokálneho rezonátora pretínala každý reflektor dostatočne ďaleko od jeho okraja. V opačnom prípade môže byť difrakčná strata príliš veľká.
Pozrime sa podrobnejšie na konfokálny rezonátor.
Nech sú všetky rozmery rezonátora veľké v porovnaní s vlnovou dĺžkou. Potom možno na základe Huygensovho-Fresnelovho princípu riešením príslušnej integrálnej rovnice získať režimy rezonátora, rozloženie polí v ňom a difrakčné straty. Ak majú reflektory konfokálneho rezonátora štvorcový prierez so stranou 2a, ktorý je malý v porovnaní so vzdialenosťou medzi zrkadlami l, rovný ich polomeru zakrivenia R, a Fresnelove čísla sú veľké, potom vlastné funkcie Fox- a Integrálne rovnice Leeovho typu sú aproximované súčinmi Hermitových polynómov Hn(x) pomocou Gaussovej funkcie.
V karteziánskom súradnicovom systéme, ktorého počiatok je umiestnený v strede rezonátora a os z sa zhoduje s osou rezonátora (obr. 1), je rozdelenie priečneho poľa dané vzťahom
kde určuje veľkosť oblasti prierezu, na výstupe ktorého intenzita poľa v rezonátore, úmerná S2, klesne e-krát. Inými slovami, toto je šírka rozloženia intenzity.
Hermitove polynómy niekoľkých prvých stupňov majú tvar:
Vlastné funkcie rovnice udávajúce priečne rozdelenie (1) zodpovedajú vlastným frekvenciám určeným podmienkou
Na obr. 2 graficky znázorňuje prvé tri Hermite-Gaussove funkcie pre jednu z priečnych súradníc, skonštruované podľa vzorca (1) s prihliadnutím na (2). Tieto grafy jasne ukazujú charakter zmeny priečneho rozloženia poľa so zvýšením priečneho indexu n.
Rezonancie v konfokálnom rezonátore sa vyskytujú iba pre celočíselné hodnoty . Spektrum režimu R.R je degenerovaný, zvýšenie m + n o dve jednotky a zníženie q o jednu dáva rovnakú hodnotu frekvencie. Hlavným režimom je TEM00q, priečne rozdelenie poľa je určené jednoduchou Gaussovou funkciou. Šírka rozloženia intenzity sa mení pozdĺž osi z podľa zákona
kde , a má význam polomeru lúča v ohniskovej rovine rezonátora. Hodnota je určená dĺžkou rezonátora a je
Na zrkadlovom povrchu je bodová oblasť základného režimu, ako je zrejmé z (4) a (5), dvakrát väčšia ako plocha prierezu hrdla žieraviny.
Roztok (1) bol získaný pre pole vo vnútri rezonátora. Ale keď je jedno zo zrkadiel čiastočne priehľadné, ako je to v prípade aktívnych laserových rezonátorov, potom je výstupná vlna postupná vlna s priečnym rozložením (1).
Extrakcia základného módu aktívneho konfokálneho rezonátora je v podstate spôsob, ako získať Gaussov lúč monochromatického svetla. Pozrime sa na ne podrobnejšie.) šírka , ktorá zodpovedá uhlovej divergencii
Výsledkom je, že väčšina Gaussovej spúšťacej energie je sústredená v priestorovom uhle
Divergencia laserového žiarenia v základnom móde teda nie je určená priečnou, ale pozdĺžnou veľkosťou laserového rezonátora.
V podstate vzorec (8) opisuje difraktovanú vlnu, ktorá je výsledkom vlastnej difrakcie Gaussovho spúšťača. Difrakčný obrazec opísaný (8) je charakterizovaný monotónnym poklesom intenzity pri pohybe od axiálneho smeru, t.j. úplná absencia akýchkoľvek oscilácií v jasnosti difrakčného obrazca, ako aj rýchly pokles intenzity vĺn na distribučných krídlach. Toto je povaha difrakcie Gaussovho lúča pri akejkoľvek apertúre za predpokladu, že jeho veľkosť dostatočne presahuje šírku rozloženia intenzity lúča.
Na vytvorenie aktívneho prostredia je potrebná selektívna excitácia atómov, ktorá zabezpečuje prednostné osídlenie jednej alebo viacerých energetických hladín. Jednou z najjednoduchších a najefektívnejších metód je metóda optického čerpania, ktorá sa používala v prvom L. na rubíne. Rubín je kryštál oxidu hlinitého Al2O3 s prímesou (~ 0,05 %) iónov Cr3+ nahradzujúcich atómy Al. Energetické hladiny iónu Cr3+ v rubíne. Absorpcia svetla zodpovedajúca modrej a zelenej oblasti spektra prenáša ióny Cr3+ zo základnej úrovne E1 do excitovaných úrovní, ktoré tvoria dva široké pásy 1 a 2. Potom v relatívne krátkom čase (~ 10 . Prebytočná energia sa potom prenáša na vibrácie kryštálovej mriežky. Životnosť iónov Cr3+ na úrovni E 2 a je 10-3 sek. Až po uplynutí tejto doby sa ióny opäť vrátia na prízemnú úroveň E1. Prechody E2® E1 a ® E1 zodpovedajú žiareniu v červenej oblasti spektra. Ak je rubínový kryštál osvetlený svetlom zo zdroja s dostatočne vysokou intenzitou v modrej a zelenej oblasti spektra (pásy pumpy), potom sa ióny Cr3+ akumulujú na úrovni E2 a dochádza k inverzii populácií týchto úrovní s vzhľadom na úroveň terénu E1 dochádza. To umožnilo vytvoriť laser pracujúci na prechodoch E2® E1 a ® E1, generujúci svetlo s vlnovou dĺžkou l "0,7 μm.
Na vytvorenie inverzie populácií hladín E2 vzhľadom na E1 je potrebné preniesť viac ako polovicu iónov Cr3+ na hladiny E2 v čase nepresahujúcom 10-3 sekúnd. To kladie veľké nároky na výkon zdroja čerpadla. Ako také zdroje sa používajú impulzné xenónové výbojky. Trvanie impulzu pumpy je zvyčajne ~ 10-3 sek. Počas tejto doby sa absorbuje niekoľko J energie v každom cm3 kryštálu.
Rozšíril sa spôsob vytvárania aktívneho média priamo v elektrickom výboji v rôznych plynoch. Možnosti získania vysokoenergetických generovaných impulzov touto metódou sú limitované najmä nízkou hustotou pracovného média; populačná inverzia sa dá ľahšie získať v pomerne riedkych plynoch. Táto metóda však umožňuje využiť širokú škálu atómových a molekulárnych plynov a ich zmesí, ako aj rôzne typy elektrických výbojov v plynoch, ako aktívne médium pre lasery. V dôsledku toho bolo možné vytvoriť lasery pracujúce v infračervenej, viditeľnej a ultrafialovej oblasti spektra. Okrem toho, budenie v elektrickom výboji umožňuje realizovať kontinuálny režim činnosti laserov s vysokou účinnosťou premeny elektrickej energie na energiu žiarenia laserov (pozri Plynový laser).
V najvýkonnejšom plynovom výboji L. kontinuálneho pôsobenia na zmes molekulárnych plynov CO2 a N2 (s pridaním množstva ďalších zložiek) je mechanizmus vzniku inverzie populácie nasledovný: elektróny plynu -výbojná plazma, urýchľovaná elektrickým poľom, budí vibrácie molekúl N2 pri zrážkach. Potom v dôsledku zrážok excitovaných molekúl N2 s molekulami CO2 dochádza k osídleniu jednej z vibračných hladín CO2, čo zabezpečuje výskyt populačnej inverzie. Všetky fázy tohto procesu sú veľmi účinné a účinnosť dosahuje 20-30%.
Následne sa ukázalo, že je možné vytvoriť plynodynamický laser na báze zmesi CO2 a N2, v ktorom sa zmes plynov zahreje na teplotu T ~ 2000 K, vytvorí sa nadzvukový prúd, ktorý opúšťa tryska, expanduje a tým sa rýchlo ochladzuje. V dôsledku prudkého ochladenia dochádza k inverzii populácií pracovných úrovní CO2 (pozri Plynový dynamický laser). Účinnosť premeny tepelnej energie na plynové dynamické laserové žiarenie je nízka (~ 1 %). Napriek tomu sú plynodynamické L. veľmi sľubné, pretože po prvé, v tomto prípade je uľahčená úloha vytvorenia veľkých L. s vysokým výkonom a po druhé, pri použití zdrojov tepelnej energie je otázka účinnosti L. je menej akútny ako v prípade elektrického výboja L. Pri spaľovaní 1 g paliva (napríklad petroleja) sa uvoľňuje energia rádovo desiatok tisíc J, pričom elektrická energia uložená v kondenzátoroch, ktoré napájajú blesk lampy je rádovo 0,1 J na 1 cm 3 objemu kondenzátora.
Keďže chemické väzby molekúl sú výlučne energeticky náročným zariadením na uchovávanie energie, je perspektívne priame využitie energie chemických väzieb na excitáciu častíc, t.j. vytvorenie aktívneho prostredia L. v dôsledku chemických reakcií. Príkladom chemického čerpania je reakcia vodíka alebo deutéria s fluórom. Ak v zmesi H2 a F2 k.-l. disociovať malý počet molekúl F2, potom nastáva reťazová reakcia F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F atď. Molekuly HF vytvorené ako výsledok tejto reakcie sú v excitovanom stave a podmienky inverzie populácie sú splnené pre množstvo kvantových prechodov. Ak sa do východiskovej zmesi pridá CO2, potom je možné okrem L. na prechodoch HF (l ~ 3 μm) vytvárať aj L. na prechodoch CO2 (l = 10,6 μm). Tu hrajú vibračne excitované molekuly HF rovnakú úlohu ako molekuly N2 v CO2 laseroch s plynovým výbojom. V tomto prípade je účinnejšia zmes D2, F2 a CO2. V tejto zmesi môže koeficient premeny chemickej energie na energiu koherentného žiarenia dosiahnuť 15%. Chemické lasery môžu pracovať v pulznom aj kontinuálnom režime; Boli vyvinuté rôzne varianty chemického L. vrátane tých, ktoré sú podobné plynodynamickej L.
Ukázalo sa, že je možné vytvoriť aktívne médium v polovodičoch rôznymi spôsobmi: 1) vstrekovaním prúdových nosičov cez prechod elektrón-diera; 2) excitácia nárazom elektrónu; 3) optická excitácia.
