39

Лекция 3. Принципы создания инверсной населенности.

Инверсная населенность и усиление света. Принципы создания инверсной населённости. Электрическая накачка в газах. Химическая накачка. Термодинамическая накачка. Другие виды накачки. Оптическая накачка, резонансное возбуждение. Балансные уравнения для населенности в стационарных и нестационарных условиях: 3 и 4 уровневые схемы.

Инверсная населенность и усиление света

Для усиления света при вынужденном излучении в активной среде должна быть создана инверсия населённостей. Если световое излучение является резонансным для двух невырожденных уровней, то преобладание вынужденного усиления над поглощением возможно лишь при выполнении условия:

>0, (3.1)

где , – населённости двух уровней. Населенность уровней, удовлетворяющая условию (2.1), называется инверсией населённостей. Если уровни состоят из вырожденных подуровней и энергии подуровней совпадают, то условие инверсии населенностей записывается в следующем виде:

>0, (3.2)

где , – степени вырождения двух уровней. Фактически условие (3.2) означает инверсию населенностей между парами подуровней уровней 2 и 1.

Если уровни и энергии подуровней не совпадают, то понятие условия инверсии населенностей становится не совсем корректным, т.к. и величина усиления и величина потерь оказываются спектрально зависимыми и, более того, зависят от температуры. В этом случае необходимо пользоваться общим выражением для инкремента усиления:

, (3.3)

где и – сечения поглощения и усиления (для рассматриваемого перехода) соответственно.

Следует отметить, что выражения (2.1) и (2.2) являются следствием выражения (2.3) для двух частных случаев: отсутствия вырождения и вырождения без расщепления энергий подуровней. В отсутствии разделения уровней на подуровни = , а в случае разделения на вырожденные подуровни без расщепления энергий подуровней = .

Инкремент усиления определяется как характеристиками перехода (сечениями поглощения и усиления) так и населенностями резонансных уровней. В отсутствие распределённых нерезонансных потерь в усиливающей среде интенсивность излучения растет экспоненциально:

, (3.4) где z – пройденное световой волной расстояние в активном веществе.

Сечение  действительно имеет размерность сечения [м2] или [см2]. Разность населённостей имеет размерность [см-3], коэффициент усиления - [см-1].

Принципы создания инверсной населённости.

Принципы создания инверсии населенностей:

1. Пространственная селекция возбужденных частиц

Если использовать поток частиц и пространственное разделение возбуждённых и невозбуждённых частиц, то в некоторой области можно получить среду с преобладанием возбуждённых частиц над невозбуждёнными.

На рис.1 показано пространственное разделение потоков частиц при поступлении потока частиц извне.

Рис.1. Пространственная селекция возбужденных частиц.

2. Быстрое изменение внешних условий – инвертирование энергетических уровней.

Рис.2. Быстрое изменение направления магнитного поля вызывает инвертирование энергии магнитных подуровней.

3. Использование верхнего вспомогательного уровня

В упрощённой модели квантовых частиц, обладающих всего двумя уровнями энергии, возбуждённая частица из состояния с энергией E2 может перейти в состояние E1 с испусканием фотона как самопроизвольно (спонтанное излучение), так и под действием резонансного излучения (индуцированное или вынужденное излучение). При условии термодинамического равновесия N2/g2-N1g1<0. Физически это объяснимо: поглощение света и вынужденное излучение – это процессы одной природы, и их вероятности одинаковы. Но к обеднению верхнего уровня (верхним называется уровень с большей энергией) приводит, также, спонтанное излучение. Вероятности процессов, связанных с вынужденными переходами 21 и 12 одинаковы не только для случая взаимодействия со светом, но и для процессов другой природы, например, акустических, химических процессов, возбуждения электронным ударом, при столкновениях и др.

Использование вспомогательного уровня позволяет получить населенность возбужденного уровня больше, чем населенность основного. Принцип использования верхнего вспомогательного уровня для получения инверсии населенностей поясняет рис.3.

Рис.3. Принцип использования верхнего вспомогательного уровня для получения инверсии населенностей между уровнями 2-1 (слева) и его реализация при использовании селективной оптической накачки (справа).

4. Использование перехода между двумя не основными (возбужденными) уровнями энергии

Если нижний уровень резонансного перехода не является основным (например, уровень 2 в переходе 3-2), то создать инверсию населенностей уровней этого перехода значительно легче.

Рис.4. Принцип получения инверсии населенностей между двумя возбужденными уровнями 3-2.

Если использовать мощную импульсную накачку, обеспечивающую резонансный переход (возбуждение) частиц с основного уровня на уровень 3, то обеспечить инверсию населенностей можно при любых соотношениях между временами жизни частиц на 3 и 2 уровнях. Если время жизни 2 уровня меньше, чем время жизни 3 уровня ( < ), то инверсию населенностей можно получить в стационарных условиях при непрерывной накачке. При выполнении обратного условия ( > ) получение инверсной населенности возможно только при импульсной накачке. Лазеры, в которых используется рассмотренная схема возбуждения при > , называются лазерами на самоограниченных переходах.