3.3 Оптическое возбуждение лазерной среды. 3-х и 4-х уровневые схемы генерации

Рассмотрим возбуждения лазерного среды оптической накачкой, т.е. светом. Если свет лампы-накачки или светового диода будет переводить в результате поглощения активные атомы из состояния 1 в состояние 2, то с равной вероятностью эти кванты будут вызывать переходы в обратном направлении, согласно свойств вынужденных переходов, а именно:

Поскольку , то населенность уровня 2 будет уменьшаться быстрее, чем

населенность уровня 1 из-за наличия спонтанных переходов, имеющих вероятность . В результате этого мы при очень больших значениях плотности электромагнитного излучения можем достичь в лучшем случае равных населенностей уровня 1 и 2, но не условия , как этого требует уравнение (3.9).

      Итак, если в атоме есть только два уровня, то при оптическом возбуждении невозможно осуществить такое состояние коллектива атомов, когда . Для этого в атоме необходимо иметь еще один уровень, третий, через который будет заселяться верхней лазерный уровень (ВЛУ). Такая схема уровней показана на рис 3-3.

Рис. 3-3.

При поглощении света лампы-накачки атом переходит с уровня 1 на уровень 2. Желательно, чтобы поглощение с переходом атома на уровень 2 происходило в широком спектральном диапазоне, что может существенно повысить коэффициент полезного действия лазера (КПД). Возбужденный атом из состояния 2 за время примерно переходит либо на уровень 1, спонтанно и вынужденно излучая, или на уровень 3 (ВЛР), теряя энергию на тепло. Время жизни атома на уровне 3 должно составлять не менее . Вследствие таких соотношений времен жизни уровней 2 и 3 можно сильно заселить уровень 3 и добиться такого состояния активной среды, когда и тогда . Если на уровне 2 населенность , то с большой точностью справедливо соотношение , где – концентрация активных атомов в лазерном среде; и условие может быть выполнено только тогда, когда , или .

     То есть, значение можно достичь лишь в том случае, когда на уровень 3 будет переселено более половины всех атомов. Итак, на переходе атома из состояния 3 в состояние 1 при определенных условиях может возникнуть лазерная генерация.

     Такая схема уровней активной лазерной среды называется 3-х уровневой схемой генерации.

     Рассмотрим схему уровней, показанную на рис. 3-4, где есть 4 уровня энергии.

Рис. 3-4.

Свет лампы накачки поглощается с уровня 1 на уровень 2, на котором активный атом живет и переходит частично на уровни 1 и 3. На уровень 1 переход происходит как вследствие спонтанных переходов, так и вынужденных. Уровень 3, как и в случае 3-х уровневой схемы генерации, метастабильный, т.е. . Лазерная генерация происходит между уровнями 3 и 4. Уровень 4 имеет, во-первых, малое время жизни , а, во-вторых, . В этом случае согласно распределению Больцмана:

Населенность уровня будет малой, такой что . Тогда :

(3.10)

будет больше нуля при малейшем заселении уровня 3. Такая схема уровней активного атома в лазерном среде называется 4-х уровневой и она энергетически намного выгоднее 3-х уровневой.