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.

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.

2. Четырёхуровневая система.

Четырёхуровневая лазерная система, по схеме которой работают большинство лазеров на стекле и кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов, представлена на рисунке 1.13.

Рис. 1.13. Диаграмма энергетических уровней четырёхуровневого лазера

Следует отметить, что в трёхуровневой системе лазерная генерация происходит между возбуждённым уровнем 2 и нижним уровнем 1, который всегда заселён. А в четырёхуровневой системе лазерный переход осуществляется на уровень 1, который находится выше нижнего уровня и который может быть совсем не заселён или заселён, но значительно меньше, чем самый нижний уровень. Таким образом, для создания инверсной заселенности достаточно возбудить небольшое число активных атомов, поскольку они практически сразу переходят на уровень 2. Т.е. порог генерации четырёхуровневой лазерной системе будет значительно ниже, чем в трёхуровневой.