5.3 Перевод активного вещества в состояние инверсной населенности.

Как уже было сказано выше, усиление электромагнитной волны в веществе, находящемся в состоянии теплового равновесия невозможно, необходимо обеспечить два основных условия – перевод активного вещества в неравновесное состояние и подвод энергии, которая будет перекачиваться в энергию волны. Данный процесс называют накачкой активной среды. В настоящее время выделяют семь основных способов накачки:

1. Оптическая накачка (накачка вспомогательным излучением того-же спектрального диапазона).

2. Газовый разряд.

3. Сортировка частиц.

4. Инжекция неосновных носителей.

5. Возбуждение пучками заряженных частиц.

6. Химическая накачка.

7. Газодинамическая накачка.

Оптическая накачка используется в твердотельных (в т.ч. волоконных) и жидкостных лазерах Также может использоваться в газовых и полупроводниковых лазерах, но ее эффективность резко уступает традиционным способам. Источниками оптической накачки в оптическом диапазоне могут быть газоразрядные лампы, светодиоды и вспомогательные лазеры. В СВЧ-диапазоне такими источниками выступают магнетронные и клистронные генераторы, реже – генераторы на лампах бегущей волны.

Газовый разряд. Для накачки активных сред непрерывных лазеров используют преимущественно тлеющий разряд. Неупругие соударения в таком разряде приводят к образованию большого количества возбужденных атомов (молекул) и в конечном итоге – появлению инверсной населенности. Тлеющим разрядом накачиваются такие лазеры как гелий-неоновый, СО и СО₂ – лазеры, лазер на парах меди, Для накачки ионных лазеров тлеющий разряд не полходит, поскольку дает очень малую степень ионизации газа. В случае ионных лазеров, например аргонового, приходится применять дуговой разряд с его непременными атрибутами – высокими давлением и температурой.

Сортировка частиц – редко применяемый способ накачки пригодный для использования в пучковых системах. Заключается в разделении пучка частиц на возбужденные и невозбужденные. Наиболее известная система - аммиачный мазер. Отличительной особенностью является возможность создания инверсии в двухуровневых системах.

Инжекция неосновных носителей через р-п переход, как явствует из названия, применяется в полупроводниковых инжекционных лазерах, или по другому – лазерных диодах. Образующиеся при этом электрон-дырочные пары рекомбинируют и высвечиваются в виде лазерного излучения или сверхлюминесценции, в зависимости от конструкции излучателя.

Возбуждение пучками заряженных частиц, как правило – электронов, реализовано для двух типов лазеров – полупроводниковых и эксимерных.

Химическая накачка заключается в протекании в активной среде химической реакции, среди продуктов которой выделяются атомы, молекулы или радикалы в возбужденном состоянии, которые впоследствии высвечиваются.

Газодинамическая накачка заключается в получении инверсной населенности за счет быстрого адиабатного расширения газовой струи и возникновении за счет этого неравновесного состояния. Применяется в газодинамических СО₂ –лазерах. Источником накачки служит энергия сгорания углеводородного топлива. Конструкция камеры сгорания напоминает ракетный двигатель.