Для того, чтобы вынужденное излучение действительно породило лавину, необходимо, чтобы как можно больше атомов, находящихся в метастабильном состоянии, «почувствовали» падающее на них излучение. А для этого нужно продлить время пребывания излучения внутри вещества.
Рассмотрим, как это делается, на примере рубинового лазера.
Кристалл рубина состоит из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома - именно атомы хрома и придают рубину его благородный цвет. Эти же атомы обладают и рассмотренной выше системой трех энергетических уровней, средний из которых является метастабильным.
Из рубинового кристалла вытачивают стержень (со строго параллельными торцами!) и навивают на него трубку газоразрядной лампы, которая называется лампой накачки (рис. 28.4).
 | Рис. 28.4. Схематическое изображение рубинового лазера. |
Под действием света лампы накачки атомы хрома переходят с основного уровня 1 на уровень 3 (см. выше рис. 28.3), а затем - практически сразу - на метастабильный уровень 2. Переходы на этот уровень обусловлены в основном передачей энергии кристаллической решетке.
В результате этих переходов на метастабильном уровне 2 «скапливается» большое число атомов, то есть возникает, как говорят, «перенаселенность» метастабильного уровня 2.
Среда, в которой самым населенным является один из возбужденных уровней атомов, называется активной. Такая среда обладает запасом энергии, который делает возможным лавинообразный процесс вынужденного излучения.
Но создать активную среду еще недостаточно: если «вынужденно излученные» фотоны сразу же вылетят из нее, лавина не возникнет. Для ее возникновения надо каким-то образом «задержать» излученные фотоны в среде. Но как это сделать? Ведь фотоны не остановишь: они всегда движутся со скоростью света.
Ученые догадались, что «задержать» фотоны все-таки можно - для этого надо продлить их путь с помощью отражения.
С этой целью параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными. Отражаясь от торцов, фотоны, летящие вдоль оси кристалла, проходят через кристалл многократно - туда и обратно. При этом вследствие вынужденного излучения их число лавинообразно увеличивается, в результате чего в кристалле быстро нарастает излучение, направленное вдоль оси кристалла (рис 28.5).
Чтобы выпускать часть этого излучения наружу, один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера (рис 28.6).
Таким образом, все вылетающие из лазера фотоны имеют одинаковую частоту и одно и то же направление.
Именно эти качества и отличают излучение лазера от всех других видов излучений.