Поняття інверсної населеності енергетичних рівнів.
Інверсна населеність – співвідношення між населеностями енергетичних рівнів атомов/молекул речовини, при якому число частиць на верхньому із даної пари рівнів більш, чим на нижньому.
Інверсна населеність – необхідна умова створення майже всіх квантових генераторів та підсилювачів.
Розглянемо речовину, в якій число атомів N2 ( населеністю рівня) в Е2 > N1 в рівні Е1, то така речовина наз. активною. Якщо на активну речовину падає електромагнітне випромінювання, то відбуватиметься його посилення завдяки тому, що кількість вимушених переходів атомів Е2 → Е1 > Е1 → Е2.
В стані термодинамічної рівноваги населеність більше високого енергетичного рівня завжди менше, ніж більше низького.
,
Принцип дії квантового підсилювача, замалювати схему.
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.
Джерело накачки створює в активному елементі інверсію населенностей між робочими рівнями Еm та En. Вхідний сигнал Iωвх на частоті ω = (Е 2 – Е1)/ħ, проходячи через активний елемент, посилюється так що на виході виходить посилений сигнал Iωвих.
Коефіцієнт посилення підсилювача, рівний відношенню Iωвих / Iωвх.
Схема лазера, принцип дії.
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).
У лазерах цю функцію виконують оптичні резонатори: активний елемент розміщують між двома строго паралельними один одному дзеркалами.
Методи накачки. Хімічне та газодинамічне накачування.
Хімічне. Застосовується в газових лазерах; використовується ряд хімічних реакцій, що протікають між газоподібними речовинами, в результаті яких кінцевий продукт реакції опиняється в збудженому стан.
Газодинамічне накачування. Застосовується в газових лазерах; 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.
Метод накачування допоміжним випромінюванням (оптична накачка).
Найбільш універсальним і широко використовується для накачування твердотільних лазерів на діелектриках, рідинних лазерів, може застосовуватися в напівпровідникових і газових лазерах.
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.