1.7Квантовый генератор (лазер)

Для того чтобы квантовый усилитель превратить в квантовый генератор необходимо ввести подходящую положительную обратную связь.

В лазере обратную связь получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высокими коэффициентами отражения, образующими открытый (или оптический) резонатор. Например, это резонатор Фабри-Перо, представляющий собой систему из двух плоских зеркал З₁ и З₂, установленных параллельно друг другу, как показано на рис. 1.9.

Рис.1.9 Принципиальная схема лазера.

В этом случае плоская световая волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом проходе через активную среду. Если одно из зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения.

Как и в любом автогенераторе, в лазерах генерация возможна лишь при выполнении некоторого порогового условия. Рассмотрим, как показано на рис. 1.10, поэтапно процесс усиления световой волны в активной среде, полностью заполняющей открытый резонатор.

Рис.1.10 Процесс усиления света в открытом резонаторе.

Если начальное значение интенсивности у левого зеркала принять равным I₁₀,то за один цикл обхода резонатора интенсивность света , отраженного от зеркала З₁ приобретает значение: I₁₀^=I₂₀ r₁ exp [(G-) L] =r₁ r₂ I₁₀ exp [2(G-) L] (1.62)

В стационарном режиме в уравнении (1.62) должно выполняться условие I₁₀ = I₁₀^, что приводит к соотношению: 1=r₁ r₂ exp [2(G-)L]. (1.63)

Из (1.63) следует, что порог достигается тогда, когда коэффициент квантового усиления приближается к некоторому критическому значению, определяемому условием:

G_кр = (N₂-N₁) = 1/ (2L) ln [1/ (r₁r₂)] + (1.64)

Физический смысл формулы (1.64) состоит в том, что квантовое усиление в среде должно превышать потери, связанные с полезным излучением за счет выхода излучения через зеркала и потери, учитываемые коэффициентом .

Из формулы (1.64) определяется критическое значение для инверсии населенностей: (N₂-N₁)_кр= (1.65)

Как только достигнута критическая инверсия, генерация начнет развиваться из спонтанного излучения. При этом фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться в активном элементе.

1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней

Одной из центральных проблем квантовой электроники является проблема получения состояния вещества с инверсией населенностей квантовых уровней.

Методы накачки подразделяются на следующие:

1. Метод вспомогательного излучения.

Используется как в радиочастотном (мазеры), так и в оптическом диапазонах (твердотельные лазеры). В последнем случае метод называется оптической накачкой.

2. Электрическая накачка.

Осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда (постоянный ток или высокочастотный разряд) в рабочей среде (газовые лазеры).

3) Инжекция носителей тока через p-n переход в полупроводнике при пропускании электрического тока в прямом направлении (создается неравномерное распределение носителей в зоне проводимости и в валентной зоне).

Существуют и другие методы накачки, как, например, химическая, газодинамическая, находящие применение в соответствующих лазерах.

Наряду с понятием инверсии населенностей уровней в квантовой электронике используют также понятие отрицательной температуры, которое может быть введено в рамках двухуровневой квантовой системы.

Из формулы определяющей отношение населенностей квантовых уровней в условиях термодинамического равновесия , определим абсолютную температуру (1.66)

Анализ знака Т в зависимости от величины N₁/N₂ представлен на рисунке (для четырех электронов, обозначенных кружочками).

Как видно из рисунка, при изменении температуры от Т=+0 доТ=-0 через Т=±∞ происходит переход частиц (электронов) с нижнего уровня на верхний до полной инверсии (от четырех частиц на нижнем уровне при пустом верхнем, до четырех частиц на верхнем уровне при пустом нижнем). Таким образом, при инверсии населенностей уровней (правая часть рисунка) системе можно приписать отрицательную температуру (Т<0)

Термины “отрицательная температура” и “инверсия населенностей” эквивалентны и выражают одно и то же содержание: населенность верхнего из двух рассматриваемых уровней больше, чем нижнего.

Следует отметить, что названия ”температура среды (образца)” и ”отрицательная температура” совершенно разные понятия.