Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
lekcii 2010.doc
Скачиваний:
7
Добавлен:
17.04.2019
Размер:
10.27 Mб
Скачать

Збудження активної речовини (накачування)

Посилення електромагнітних коливань за допомогою вимушеного випромінювання можливо лише в среде з інверсією населенностей енергетичних рівнів. Накачування можна здійснювати різними методами. Перерахуємо найбільш поширені з них.

1. Накачування допоміжним випромінюванням (оптична накачка).

Цей метод є найбільш універсальним і широко використовується для накачування твердотільних лазерів на діелектриках, рідинних лазерів, може застосовуватися в напівпровідникових і газових лазерах.

Суть методу полягає в тому, що активну речовину опромінюють потужнім електромагнітним випромінюванням, яке називається допоміжним випромінюванням або випромінюванням накачування. Це випромінювання вибирають таким образом, щоб воно поглиналося активною речовиною, переводячи активні центри з основного в збуджений стан. Джерелом накачування в оптичному діапазоні можуть бути різноманітні джерела світла, зокрема звичайні лампи розжарювання, ртутні лампи, напівпровідникові світлодіоди, джерела сонячного випромінювання і ін.

У НВЧ-діапазоні джерелами накачування можуть бути генератори НВЧ-коливань, наприклад клістронні (клистронные) або магнетронні генератори.

2. Накачування за допомогою газового розряду.

Цей метод застосовується в газорозрядних лазерах, де збудження активних атомів і молекул здійснюється за рахунок непружних зіткненні, таких, що приводять до обміну енергією частинок (вільних електронів, атомів, молекул, іонів) в хмарі газового розряду.

3. Сортування частинок.

Даний метод використовується в приладах НВЧ-діапазону - так званих пучкових мазерах. Молекули робочої речовини, що знаходяться в термодинамічній рівновазі в основному і збудженому станах (ΔЕ= (Е2-Е1)<kT), просторово розділяють так, щоб в робочий об'єм потрапляли тільки збуджені молекули. Незбуджені молекули виводяться з робочого пучка. Таке розділення можливе унаслідок того, що деякі молекули, що знаходяться в основному і збудженому станах, по-різному реагують із зовнішніми електричним і магнітним полями.

4. Інжекція неосновних носіїв заряду через р-п перехід.

Цей метод застосовується в напівпровідникових інжекційних лазерах і дозволяє безпосередньо, без проміжних процесів, перетворювати електричну енергію джерела в когерентне електромагнітне випромінювання лазера. Для даного методу характерні процеси дифузії і дрейфу носіїв заряду в напівпровідникових гомо- і гетеро- р-n переходах, зміщених в прямому напрямі.

5. Збудження частинками високих енергій, наприклад прискореними електронами.

Такий метод використовується в напівпровідникових лазерах з електронною накачкою. Пучок заздалегідь прискорених електронів (β-частинок) прямує на робочу мішень з активної речовини, викликаючи збудження і іонізацію активних центрів.

6.Хімічне накачування.

Даний метод застосовується в газових лазерах; у ній використовується ряд хімічних реакцій, що протікають між газоподібними речовинами, в результаті яких кінцевий продукт реакції опиняється в збудженому стан.

7. Газодинамічне накачування. Цей метод застосовується в газових лазерах і зводиться до того, що робочий газ, нагрітий до високої температури, різко охолоджується. Переходячи в рівноважний стан, частинки (молекули) газу затримуються в найбільш довгоживучих (метастабільних) станах, внаслідок чого може бути досягнута інверсія населенності.

Для визначення умов отримання інверсії населенностей між конкретними енергетичними рівнями в активному середовищі, слід знати кінетику заповнення енергетичних станів за наявності накачування. Для цього необхідно скласти і вирішити відповідні кінетичні рівняння, які називаються рівняннями балансу.

Нехай відомий спектр дозволених енергетичних станів системи і вірогідності переходів wmn між любими рівнями енергії m і n.

Тоді зміна числа частить на рівні Еm:

(1)

де перший доданок враховує перехід частинки на рівень m з решти всіх рівнів n, другий доданок - зменшення (знак мінус) населеності m-го рівня за рахунок переходів з цього стану в решту всіх станів n.

У загальному випадку ймовірність переходу m → n може визначатися різними випромінюючими і безвипромінючими елементарними процесами. Позначивши швидкість безвипромінючих переходів Smn, отримуємо:

wmn = Amn + Bmnρmn + Smn (2)

де Amn і Bmn – коефіцієнти Ейнштейна для спонтанних і вимушених випромінювальних процесів.

Величина Bmnρmn визначає вірогідність переходів, що індукуються зовнішньою радіацією з щільністю енергії ρmn. Коефіцієнт Ейнштейна залежить від частоти: bmn(ω). Спектр зовнішньої радіації теж залежить від частоти: ρmn (ω).

Тому ймовірність вірогідність Bmnρmn є скороченим записом інтеграла

Bmnρmn = ∫ bmn(ω) ρmn (ω) dω (3)

де ρmn (ω) - спектральна щільність випромінювання (інтеграція проводиться в межах спектральної лінії).

Якщо речовина з відносно вузькими спектральними лініями опромінюється електромагнітним випромінюванням широкого спектрального складу, то величину ρmn (ω) можна винести з-під знаку інтеграла:

∫ bmn(ω) ρmn (ω) dω = ρmnmn)∫ bmn(ω) dω = ρmnmn) Bmn (4)

часто вживане для розрахунку вірогідності переходу в каналі накачування.

У каналі генерації, навпаки, ширина лінії, що генерується, звичайна значно менше ширини відповідної лінії поглинання або люмінесценції. Тому для розрахунку вірогідності переходу в каналі генерації можна скористатися співвідношенням

∫ bmn(ω) ρmn (ω) dω = bmnг) ∫ ρmn (ω) dω ≈ bmnг) ρmnг)Δ ωmn ген (5)

де ωг - частота, на якій проходить генерація;

∫ ρmn (ω) dω - інтегральна щільність генерую чого випромінювання.

Оскільки загальне число частинок N в одиниці об'єму в стаціонарних умовах залишається незмінним, то

(6)

(сума всіх К енергетичних рівнів).

Для кожного рівня може бути записане своє рівняння балансу, так що вийде система з К рівнянь (1), з яких К-1 рівнянь лінійно незалежні. Опускаючи одне з рівнянь (1) і враховуючи (6), отримаємо систему з К рівнянь, що містить К невідомих Nm.

По досягненню стаціонарного стану, коли число частинок на кожному з рівнів залишається незмінним в часі, dNm/dt = 0, і виходить система лінійних однорідних рівнянь:

(7)

Ці рівняння спільно з (6) можна вирішити відносно Nm в загальному вигляді за допомогою добре розробленої в математиці теорії визначників.

Елементарні процеси, що приводять до утворення інверсії на робочих рівнях, визначаються переходами між поряд енергетичних станів. В більшості випадків немає необхідності розглядати можливі переходи між всіма рівнями (число їх, як відомо, може бути нескінченним). Розумно врахувати тільки ті переходи, які вносять найбільш істотний внесок до зміни населеності робочих рівнів під впливом зовнішнього збудження (накачування). При, аналізі умов виникнення інверсії групу рівнів можна розглядати як один еквівалентний рівень (або смугу) з ефективним часом життя τm.

В результаті таких спрощень можна говорити про двух-, трьох- і чотирьохрівневій схемі збудження активної речовини залежно від кількості принципово необхідних енергетичних рівнів (або груп рівнів), що беруть участь в створенні інверсії населенностей. Їй відповідає двух-, трьох- і чотирьохрівнева схема роботи квантових підсилювачів і генераторів.

Очевидно, нижній рівень повинен бути основним, а решта рівней – збудженими.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]