Билет № 9

1. Понятие инверсной населенности и методы создания инверсной населенности лазерной среды. Источники накачки.

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N₂ > N₁. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N₂ > N₁)

(N₁ = N₂), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N₁ > N₂).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E₂ - E₁). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е₁ на широкий уровень Е₃. Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е₃, безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е₂, где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е₂ → Е₁. Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

• Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

• Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

• Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

• Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

2. Основные области применения твердотельных лазеров (подробно в билете№8 второй вопрос)

• Лазерная технология (сварка, резка и др.); • технология электронных приборов; • медицина;  • лазерная локация; • системы контроля состава атмосферы; • оптическая обработка информации; • интегральная и волоконная оптика; • лазерная спектроскопия; • лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез; • лазерная химия и лазерное разделение изотопов; • нелинейная оптика; • сверхскоростная фотография; • лазерные гироскопы; • сейсмографы и другие точные физические приборы