1.4.1. Методы создания инверсной населённости.

До сих пор мы рассматривали двухуровневые системы, однако, в таких системах невозможна лазерная генерация. В состоянии термодинамического равновесия N₁ > N₂, поэтому при воздействии элек­тромагнитного поля число вынужденных переходов снизу вверх (1 —» 2) больше числа вы­нужденных переходов сверху вниз (2 —» 1): при этом населенность нижнего уровня убывает, а верх­него — растет. При достаточно большой объемной плотности энергии электромагнитного поля может про­изойти выравнивание населенностей уровней, когда числа вынужденных перехо­дов 1 —» 2 и 2 —» 1 равны, т.е. наступает динамическое равновесие. Явление выравнивания населенностей уровней называют насыщением перехода. Таким образом, при воздействии электромагнитного поля на двухуровневую систему можно добиться насыщения перехода, но не инверсии населенностей.

В реальных лазерных системах существует большое число энергетических уровней с комплексом процессов возбуждения и каскадными релаксационными процессами, охватывающими многие уровни. Точное описание лазерной генерации в конкретном активном веществе возможно только с учётом полной многоуровневой энергетической диаграммы. Однако, для понимания главных принципов лазерной генерации мы рассмотрим два основных случая: 1) трёхуровневую систему и 2) четырёхуровневую систему.

1. Трёхуровневая система.

На рисунке 1.12. изображена диаграмма, демонстрирующая работу, оптически накачиваемого, трёхуровневого лазера (например, рубинового). В исходном состоянии все атомы в лазерном веществе находятся на нижнем уровне 1. Накачка переводит атомы с нижнего уровня на уровень 3, состоящий из многих подуровней, образующих широкую полосу поглощения. Этот уровень позволяет использовать в качестве накачки источник с широким спектром излучения, например, импульсную лампу. Большинство возбуждённых атомов быстро переходят на средний уровень 2 без излучения. Но окончательно квантовая система возвращается на нижний уровень 1 с излучением фотона. Этот переход и является лазерным переходом. Если интенсивность накачки меньше порога лазерной генерации, то излучение, сопровождающее переход атомов с уровня 2 на уровень 1, спонтанно. Когда интенсивность накачки превышает порог генерации, то излучение становится стимулированным. Это происходит, когда населённость уровня 2 превосходит населённость уровня 1. Этого можно добиться, если время жизни на уровне 2 будет больше, чем время релаксации с уровня 3 на уровень 2, т. е.

(1-14)

Рис. 1.12. Диаграмма энергетических уровней трёхуровневого лазера.

Число атомов N₃ на уровне Е₃ мало по сравнению с числом атомов на других уровнях, т. е.

(1-15)

Основная идея трёхуровневой системы состоит в том, что атомы эффективно накачиваются с уровня 1 на метастабильный уровень 2, быстро проходя уровень 3. И в этом случае система представляется как двухуровневая. Для генерации необходимо, чтобы населённость уровня 2 была больше, чем населённость уровня 1. Таким образом, в трёхуровневой системе для лазерной генерации необходимо, чтобы больше, чем половина атомов с нижнего энергетического уровня 1 была переведена на метастабильный уровень 2.