Методи здійснення інверсної населеності

Незважаючи на складності було винайдено багато способів створення інверсної населеності в різних речовинах. Найбільше практичне застосування знайшли 4 основних метода:

1. Сортування атомних та молекулярних пучків в просторі.

Використовується робоча речовина, яка представляє собою потік не взаємодіючих один з однім атомів або молекул (молекулярні і атомні пучки). Цей метод полягає в просторовому розділі атомів або молекул пучка, які знаходяться на різних енергетичних рівнях за допомогою постійного але неоднорідного електричного або магнітного поля. Особливість пучкових квантових пристроїв є висока монохроматичність випромінювання., т.я. атоми/молекули практично між собою не взаємодіють. Це використовується лише в вимірювальних приладах (квантових стандартах частоти та часу)

2. Метод допоміжного випромінювання (накачка).

Основою методу є порушення теплової рівноваги за допомогою достатньо потужного допоміжного випромінювання (накачки). Він широко застосовується в парамагнітних квантових підсилювачах сантиметрових хвиль (робочі частиці – іони хрому в рубіні) та в твердотілих лазерах.

3. Інверсна населеність в газах за допомогою електричного розряду.

Виникає при прикладеного ел.розряду, що призводить до появи газового розряду в результаті якого електрони прискорюються електричним полем, зіштовхуючись з атомами та іонузіють їх, призводячи до появи вторичних електронів, які в свою чергу прискорюються і процес повторюється. Використовується в газових лазерах: гелій-неоновий лазер, лазер на аргоні на СО₂ )

4. Інверсна населеність в напівпровідниках.

Проводиться 3 методами:

- інжекція; - оптична накачка н/провідника; - бомбардування н/провідника пучком електронів з енергією в декілька тис. еВ

Переваги напівпровідникових лазерів – велика щільність «робочих» частиць, високий ККД, легкість керування випромінюванням, прості в конструкції.

Принцип роботи квантових підсилювачів та генераторів збудження активної речовини (накачка) схеми роботи квантових підсилювачів і генераторів

Система, що знаходиться в термодинамічній рівновазі, не може підсилювати електромагнітне випромінювання. Для отримання посилення необхідно створити в середовищі інверсію населенностей, для чого принципово важливо вивести систему із стану рівноваги, тобто збудити. Не будь-яке збудження і не в кожній речовині приведе до інверсії населенностей. Середовище, в якому за певних умов може бути створена інверсія населенностей, називають лазерним (або мазерною) активним середовищем, а відповідний робочий елемент підсилювача - активним елементом.

Рівні енергії, між якими може бути створена інверсія населенностей, називають робочими лазерними рівнями енергії. Процес збудження активного середовища (активної речовини) з метою отримання інверсії населенностей називають накачкою (накачуванням), а джерело цього збудження - джерелом накачування.

Загальна схема квантового підсилювача представлена на рис. 1.

рис.1

Джерело накачки створює в активному елементі інверсію населенностей між робочими рівнями Еm та En. Вхідний сигнал I_ωвх на частоті ω = (Е 2 – Е1)/ħ, проходячи через активний елемент, посилюється так що на виході виходить посилений сигнал I_ωвих.

Коефіцієнт посилення підсилювача, рівний відношенню I_ωвих / I_ωвх.

Для перетворення підсилювача на генератор необхідно, як завжди, ввести позитивний зворотний зв'язок, це досягається тим, що частину сигналу з виходу (наприклад, з анода лампи або з колектора транзистора) подають на вхід (наприклад, на сітку лампи, що управляє, або емітер транзистора).

Аналогічно для перетворення квантового підсилювача на квантовий генератор слідує частина посиленої потужності з виходу подати на вхід, здійснюючи позитивний зворотний зв'язок.

У лазерах цю функцію виконують оптичні резонатори: активний елемент розміщують між двома строго паралельними один одному дзеркалами, як показано на рис.2.

Плоска електромагнітна хвиля, що розповсюджується в напрямі, перпенди- кулярному дзеркалам резонатора, по черзі відбиватиметься від них, посилюючись при кожному подальшому проходженні через активне середовище. Одне з дзеркал роблять

Рис. 2 Загальна схема лазера напівпрозорим для виведення лазерного

випромінювання.

Змінюючи коефіцієнт віддзеркалення цього дзеркала, можна змінювати величину зворотного зв'язку.

У квантових генераторах НВЧ-діапазону (мазерах) зворотний зв'язок здійснюють шляхом приміщення активного середовища в об'ємний резонатор.

Як і в звичайних генераторах, процес генерації в лазерах і мазерах розвивається з деякого випромінювання «приманки», яким, як правило, є шум. Шумом з якого розвивається генерація - є спонтанне випромінювання: завжди знайдеться фотон «приманки», випущений спонтанно в напрямі, близькому до напряму, паралельного осі резонатора.