1.3.2.Спонтанное излучение.

На рис.1.7 изображена диаграмма спонтанных переходов в 2^х уровневой системе.

рис.1.7

Спонтанное излучение носит случайный характер. Переход атома с уровня Е₂ на уровень Е₁ сопровождается некогерентным излучением с энергией

h = Е₂ – Е₁ (1.16)

Скорость перехода с уровня Е₂ на уровень Е₁ определяется как

dN₂/ dt = - A₂₁N₂ (1.17)

где А₂₁- вероятность перехода с уровня Е₂ на уровень Е₁.

Населенность уровня с энергией Е₂ определяется выражением

N₂ = N₂₀e ^–t/ , (1.18)

где N₂₀ – начальное число атомов на уровне с энергией Е₂,

- время в течение которого осуществляется спонтанное излучение, сопровождающееся уменьшением населенности в е раз:

= 1/ А₂₁ (1.19)

1.3.3.Вынужденное излучение

Вынужденное излучение возникает при облучении вещества фотонами, при поглощении которых атомы с верхних энергетических уровней переходят на нижние. Этот процесс сопровождается излучением фотонов частота которых совпадает с частотой и фазой возбуждающего фотона. Вынужденное излучение отличается от спонтанного высокой степенью когерентности. Энергетическая диаграмма вынужденного излучения изображена на рис.8.

рис.1.8

Число переходов в единицу времени

N₂₁ = B₂₁u₀N₂ (1.20)

где В₂₁ – вероятность перехода атома с уровня Е₂ на уровень Е₁.

Параметр В₂₁ так же как А₂₁ и В₁₂, является коэффициентом Эйнштейна вынужденного излучения. Указанные коэффициенты связаны между собой В₁₂ = В₂₁.

А₂₁= 8 ³hВ₁₂/с³ (1.21)

Благодаря указанной связи, достаточно определить один из трех коэффициентов, чтобы определить два других. Так, например, экспериментально может быть определена вероятность спонтанного перехода А₂₁, если измерить коэффициент поглощения света на частоте ₂₁ и концентрацию поглощающих атомов N_i.

1.4.Инверсная населенность и методы ее создания.

Любая квантовая система (вещество, среда) имеет большое число энергетических уровней. Однако большая часть этих уровней не заполнена.

В квантовой электронике, для описания физических эффектов обычно оперируют двух-, трех-, и четырехуровневыми квантовыми системами. Для описания создания инверсной населенности достаточно рассмотреть двухуровневую систему.

Согласно распределению Больцмана (при отсутствии вырождения),

, (1.22)

в условиях теплового равновесия уровень с меньшей энергией является более заселенным.

При Е₁ < Е_2, N₁ < N_2.

Из выражений (1.15) и (1.19) следует, что число квантовых переходов на верхний уровень в единицу времени, связанных с поглощением энергии – B₁₂ u₀ N₁, а число вынужденных переходов на нижний уровень на той же частоте составляет B₂₁ u₀ N₂. Мощность, поглощаемая единицей объема вещества, равна избытку мощности поглощения над мощностью вынужденного излучения

(1.23)

В случае невырожденных уровней , тогда

(1.24)

Отсюда следует, что в условиях термодинамического равновесия Р > 0, т.е. в этих условиях энергия падающего излучения, уходит на поглощение.

Случай Р < 0 соответствует усилению падающего излучения. Этот эффект реализуется, как следует из (1.24), при условии N₂> N_1, когда имеет место инверсная населенность.

При Р = 0 имеет место N₂ = N₁ граничное состояние перехода к инверсной населенности.

Вещество, в котором обеспечивается состояние инверсной населенности N₂ > N₁ называется активной средой.

Активная среда классифицируется в зависимости от состояния используемого вещества:

• кристаллическое и аморфное (твердотельные лазеры),

• газовое (газовые лазеры),

• полупроводниковые гомопереходы и гетеропереходы (полупровод­никовые лазеры),

• жидкостное (лазеры на красителях).

Инверсная населенность создается в активной среде с помощью энергетической накачки среды. Используются различные типы накачки.

1.Оптическая накачка:

• ламповая (ксеноновые лампы),

• с помощью светоизлучающих диодов,

• лазерная.

2.Электрическая накачка :

• электрический разряд (тлеющий, дуговой),

• токи инжекции в полупроводниковых лазерах.

3.Химическая накачка с помощью энергии химических реакций в активной жидкостной среде.

4.Электронная накачка пучком электронов высокой энергии.

Инверсная населенность создается в активной среде с помощью энергетической накачки среды. Используются различные типы накачки.

1.Оптическая накачка:

• ламповая (ксеноновые лампы),

• с помощью светоизлучающих диодов,

• лазерная.

2.Электрическая накачка :

• электрический разряд (тлеющий, дуговой),

• токи инжекции в полупроводниковых лазерах.

3.Химическая накачка с помощью энергии химических реакций в активной жидкостной среде.

4.Электронная накачка пучком электронов высокой энергии.