3.Уширение в твердых телах

Втвердых активных веществах важной причиной уширения спектральных линий являются неоднородности кристалла и тепловые колебания решетки. Чем выше температура кристалла, тем сильнее колебания. При этом активные ионы оказываются расположенными в переменных полях, модулирующих положение энергетических уровней и тем самым уширяющих спектральную линию. Так, например, ширина спектральной линии люминесценции рубина при 300 К составляет 330 ГГц, а при 77 К 10 ГГц. Кроме того, из-за возможного неоднородного окружения активного иона, обусловленного неоднородностями кристалла или посторонними дефектами, возникает дополнительное уширение спектральной линии. Последнее особенно заметно проявляется в активированных стеклах, где окружение каждого из активных ионов различно.

4.Уширение линий в магнитных и электрических полях

При воздействии внешнего магнитного поля на квантовую систему происходит расщепление энергетического уровня Ем на несколько подуровней gm. Это расщепление, сопровождающееся уширением спектральной линии, называется эффектом Зеемана, а число gm различных состояний – кратностью (степенью) вырождения уровня.

Расщепление и смещение энергетических уровней под действием внешнего электрического поля называется эффектом Штарка. Различают

линейный и квадратичный эффект Штарка в соответствии с зависимостью расщепления от напряженности внешнего электрического поля.

Различают однородное и неоднородное уширение. Уширение называется однородным, если линии каждого отдельного атома и системы в целом уширяются одинаково (естественное уширение, столкновительное уширение). Форма однородно уширенных линий хорошо описывается функцией Лоренца.

При неоднородном уширении резонансные частоты отдельных атомов не совпадают и распределяются в некоторой полосе частот, приводя к

уширению линии системы в целом при существенно меньшем уширении линии отдельных атомов. К неоднородному относится Доплеровское уширение, уширение за счет неоднородностей среды. Форма линии при неоднородном уширении описывается функцией Гаусса.

16.3. Устройство и принципы работы лазеров

Общая схема оптического квантового генератора (лазера) приведена на рис. 16.3.

Необходимыми элементами любого лазера являются:

1.Рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия (активная среда).

275

давления (около 100 мм. рт. ст.), вольфрам-иодные, криптоновые и ртутные капиллярные лампы высокого давления, обычные лампы накаливания, лазеры.

2.Накачка с помощью газового разряда осуществляется путем пропускания тока через газ. При этом возбуждение активных состояний

атомов и молекул осуществляется при неупругих столкновениях электронов с тяжелыми частицами, а также при вторичных процессах в газе. В настоящее время для накачки используются тлеющий и дуговой разряды на постоянном токе, высоких и сверхвысоких частотах.

3.Возбуждение электронным пучком. Этот метод накачки используется для полупроводниковых и газовых лазеров.

4.Инжекция неосновных носителей заряда через n-p переход – это самый распространенный способ накачки полупроводниковых лазеров, который позволяет непосредственно, без промежуточных стадий, преобразовывать электрическую энергию в лазерное излучение.

5.Химическая накачка применяется главным образом в газовых лазерах и использует химические реакции, сопровождающиеся образованием возбужденных продуктов.

6.Газодинамическая накачка. Этот метод применяется в газовых лазерах и заключается в резком охлаждении рабочего газа, в результате чего может быть достигнута инверсная заселенность.

16.3.3. Условия создания инверсной населенности

Условия получения инверсной населенности уровней можно получить из анализа балансных уравнений кинетики заселения и тушения конкретных энергетических уровней в активной среде при наличии накачки. При этом

нет необходимости рассматривать все возможные элементарные процессы в системе, достаточно ограничиться лишь теми, которые вносят наиболее

существенный вклад в изменение населенности рабочих уровней под действием накачки. В общем случае достаточно рассмотреть двух-, трех- и четырехуровневую схемы возбуждения активного вещества, соответствующие количеству энергетических уровней, участвующих в создании инверсной населенности.

16.3.4. Двухуровневая система

Рассмотрим простейшую двухуровневую систему, в которой активная среда имеет уровень Е1 – основное состояние и уровень Е2 – возможное возбужденное состояние (рис. 16.4).

В такой системе достаточно учесть три основных процесса: возбуждение уровня Е2 в результате накачки и спонтанный и вынужденный излучательные переходы в основное состояние Е1.

277

системы осуществляется оптическим путем только по каналу 1 – 3, а внешним возбуждением в каналах 1 – 2 и 2 – 3 можно пренебречь.

Кинетические уравнения для стационарного случая будут иметь вид:

где S – частота релаксации при излучательных и безизлучательных переходах, с–1.

в)

Рис. 16.5. Трехуровневые схемы первого (а) и второго (б) типов и

зависимость относительной населенности уровней от плотности накачки (в)

Полагая кратности вырождения всех уровней равными единице, находим следующие выражения для населенности уровней:

279