5.4 Двухуровневая система.
Основные кинетические уравнения в двухуровневой системе выглядят следующим образом:
Выразим N1и N2 получим:
Вывод: N2<N1всегда. Возможно, что при высокой плотности накачки и более высокой кратности вырождения для второго уровня можно получить обратную ситуацию, но такая населенность уровней не может считатьсяинверсной и усиления не даст. Тем не менее именно данная схема впервые использовалась в квантовом приборе для усиления электромагнитной волны за счёт применения достаточно интересного способа накачки – сортировки частиц м пучке молекул аммиака.
5.5 Трехуровневая система.
В трехуровневой системе канал накачки и канал излучения частично разделены, что позволяет использовать для создания инверсной населенности простой и достаточно универсальный метод оптической накачки, а для газовых сред – метод газового разряда. При этом любая трехуровневая схема сводится к разделению либо по верхнему, либо по нижнему энергетическомууровню. Разделение по верхнему уровню реализовано в рубиновом лазере, разделение по нижнему уровню – в гелий-неоновом лазере и лазере на парах меди.
В качестве примера для записи уравнений состояния используем первую схему. Обозначим частоты соответствующих переходов.
Отсюда
При бесконечной плотности накачки имеем предел
Таким образом, при ω21> ω10при некотором значении плотностинакачки будет присутствовать инверсная населенность. Из приведенных выше рассуждений видно, что для создания инверсной населенности наиболее выгодно состояние с большим ω21 и малым ω10 , т.е. верхний лазерный уровень должен быть метатстабильным.
5.6 Четырехуровневая схема.
В четырехуровневой схеме каналы генерации и накачки разделены и по верхнему и по нижнему уровню, поэтому теоретически, возникновение инверсной населенности возможно при сколь угодно малых уровнях накачки.
Особенности практической реализации схем накачки.
Необходимо, чтобы энергетические зазоры, оставляемые на релаксацию были достаточно большими для исключения термического влияния на заселенность рабочих уровней, но при этом их чрезмерное увеличение снижает квантовый КПД схемы.
При оптической накачке широкополосным источником необходимо, чтобы верхний уровень был максимально широким. Наиболее проедпочтителенвариант системы уширенных уровней, так как он позволяет максимально полно использовать излучение источника накачки.
Время жизни на верхнем лазерном уровне должно определяться излучательными процессами, а вероятность безызлучательных переходов должна быть минимальна.
Переходы на энергетических зазорах должны осуществляться релаксационными безызлучательными переходами для исключения самопоглощения.
Стационарный и нестационарный режим работы лазера.
Стационарный режим работы лазера определяется условием dN/dt=0, т.е. когда населенность уровней остается постоянной в результате равновесия процессов подвода и отвода энергии. Это может быть справедливо в случае непрерывной или квазинепрерывной работы.
Режим работы может быть нестационарным, когда длительность накачки мала по сравнению с временем релаксации. Использование таких режимов позволяет получать инверсию там, где её получение в стационарном режиме невозможно.
Импульсный режим может быть стационарным, если за время действия импульса успевает установиться равновесие. В случае непрерывной работы ожидаемый стационарный режим может быть искажен автоколебательными процессами (пичковая структура генерации).
Резюме по активным средам.
В квантовой системе возможны спонтанные переходы с излучением и индуцированные переходы с излучением и с поглощением, а также безызлучательные релаксационные переходы. Вероятность переходов характеризуется коэффициентами Эйнштейна.
Спектральная линия, соответствующая данному переходу, всегда имеет конечную ширину. Это связано с тем, что бесконечно узкая идеальная линия испытывает воздействие нескольких механизмов уширения.
- естественное;
-доплеровское;
-столкновительное;
-Штарковско-Зеемановское.
Усиление ЭМВ в среде, находящейся в состоянии теплового равновесия невозможно. Чтобы иметь возможность усиления, необходимо нарушить тепловое равновесие, создав инверсную населенность на рабочем переходе и обеспечив подвод энергии для покрытия потерь активной среды.
Подвод энергии и нарушение теплового равновесия осуществляется системой накачки. Существует несколько квантовых схем усиления, предъявляющих различные требования к системе накачки.
Главный принцип усиления электромагнитной волны – индуцированное испускание атомами среды фотонов, тождественных вынуждающим фотонами развитие фотонной лавины, каждый квант в которой идентичен исходному, ставшему первоисточником лавины.