7. Лазеры с оптической накачкой. Трехуровневые лазеры. Оптическая накачка лазеров
Оптическая накачка некоторой лазерной среды – это ее освещение внешним источником света с целью перевода ее в возбужденное электронное состояние. всей среды или ее составляющих. Для лазеров или лазерных усилителей цель состоит в том, чтобы достигнуть инверсной населенности в активной среде и, таким образом, получить оптическое усиление посредством индуцированного излучения для некоторой области оптических частот. Этот диапазон называют полосой усиления (gain bandwidth).
В других случаях, например, в спектроскопических измерениях, целью оптической накачки является выборочное заполнение некоторых электронных уровней (например, некоторых сверхтонких подуровней), энергия которых лежит в некоторых случаях не намного выше энергии основного состояния.
Процессы оптической накачки нередко могут быть описаны посредством кинетических уравнений.Однако при этом не учитываются некоторые аспекты квантовой природы взаимодействия атомов и фотонов. Существуют более полные физические модели, которые также могут описать когерентные явления, такие как осцилляции Раби.
Создание инверсии населённостей
Как указано выше, для работы лазера необходима инверсия населённостей, однако получить её для группы атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно. Фактически, прямой переход атомов в возбуждённое состояние будет всегда компенсироваться процессами спонтанного и вынужденного излучений. Лучшее, что может быть достигнуто в такой ситуации — оптическая прозрачность в случае N1 = N2 = N/2, но не усиление.
Чтобы достигнуть неравновесного состояния, необходимо использовать косвенные способы перевода атомов в возбуждённое состояние. Чтобы понять, как это работает, мы будем использовать более реалистичную модель, известную как трёхуровневый лазер. Возьмем ещё раз группу из N атомов, но теперь каждый из них может находиться в трёх различных энергетических состояниях, на уровнях 1, 2 и 3 с энергиями E1,E2 и E3, в количестве N1, N2 и N3, соответственно. При этом диаграмма энергетических уровней будет выглядеть следующим образом:
=================================== уровень 3, E3, N3
^ |
| | R (быстрый переход без излучения)
| V
--|-------------------------------- уровень 2, E2, N2
| |
| |
| P (накачка) |
| | L (медленный переход с излучением)
| |
| |
| V
----------------------------------- уровень 1 (осн. состояние), E1, N1
На этой диаграмме E1 < E2 < E3; т. е. энергетический уровень 2 лежит между основным состоянием и уровнем 3.
В самом начале система атомов находится в термодинамическом равновесии, и большинство атомов находится в основном состоянии, т. е. N1 ≈ N, N2 ≈ N3 ≈ 0. Если теперь осветить атомы светом частоты ν31, где E3-E1 = hν31 (h — Постоянная Планка), благодаря поглощению, начнётся процесс перехода атомов в возбуждённое состояние на уровень 3. Такой процесс называется накачкой, и не всегда он вызывается светом. Для этой цели также применяются электрические разряды или химические реакции. Уровень 3 также иногда называют уровнем накачки или полосой накачки, а энергетический переход E1 → E3 — переходом накачки, который показан буквой P на диаграмме.
Если мы будем продолжать накачку атомов, мы возбудим до уровня 3 достаточное их количество, т. е. N3 > 0. Далее нам необходимо, чтобы атомы быстро перешли на уровень 2. Освобождённая при этом энергия может излучиться в виде фотона механизмом спонтанного излучения, но на практике рабочее тело лазера выбирают так, чтобы переход 3→2, обозначенный на диаграмме буквой R, проходил без излучения, а энергия тратилась на нагрев рабочего тела.
Атом на уровне 2 может перейти на основной уровень, спонтанно излучив фотон частоты ν21 (которую можно найти из выражения E2-E1 = hν21). Этот процесс показан на диаграмме буквой L. Время до этого перехода τ21 значительно превышает время неизлучающего перехода 3→2 — τ32 (τ21 >> τ32). При таком условии, количество атомов на уровне 3 будет примерно равно нулю (N3 ≈ 0), а количество атомов на уровне 2 — больше нуля (N2 > 0). Если на этом уровне удастся удержать больше половины атомов, между уровнями 1 и 2 будет достигнута инверсия населённостей, а на частоте ν21 начнётся оптическое усиление.
Поскольку для достижения такого эффекта нужно возбудить не менее половины атомов, для накачки нужна очень большая энергия. Поэтому трёхуровневые лазеры непрактичны, хотя они и стали первыми созданными Теодором Майманом лазерами (на основе рубина) в 1960 году.
Трехуровневая схема иллюстрируется рис. 7.1. (на примере твердотельного лазера)
В условиях термодинамического равновесия практически все частицы расположены на нижнем (основном) энергетическом уровне с энергией E1, то есть 1 верхнее энергетическое состояние 3 представляет систему близко расположенных уровней, заселение которых происходит под действием оптического излучения накачки, переводящей на них частицы с основного энергетического уровня. Условно это показано несколькими вертикальными стрелками, отражающими отдельные спектральные компоненты немонохроматического излучения накачки. Сколько таких стрелок останется при монохроматическом источнике накачки? Только одна.Время жизни частиц на уровне 3 очень мало – в лазере на рубине, для которого реализуется именно трехуровневая схема, при комнатной температуре Частицы с третьего уровня переходят на метастабильный (с большим временем жизни) уровень 2, где за счет этого могут накапливаться. Например, в лазере на рубине 2 = 3.4 мс при T = 300 K. После выполнения условия N2 > N1 (N2 > N/2 в рассматриваемой схеме) реализуется состояние инверсии населенностей и на переходе 2→1 возникает сильное спонтанное излучение (люминесценция). Некоторые из излучаемых спонтанно фотонов соответствуют модам оптического резонатора, в который помещается активный элемент. Эти фотоны являются затравочными - они имеют максимальное время жизни в резонаторе, и вызываемые ими индуцированные переходы частиц между уровнями 2 и 1 становятся преобладающими над спонтанными переходами 2→1. В результате лазер генерирует когерентные оптические колебания, но только на тех модах резонатора, для которых испускаемая энергия будет больше потерь.
Трехуровневая схема имеет значительный недостаток – для нее принципиально существует порог генерации, т. е. минимально необходимая энергия накачки. Она требуется для обеспечения инверсии населенностей, реализующейся при переводе на Рис. 7.1. Трехуровневая схема достижения инверсии населенностей в твердотельном лазере при накачке немонохроматическим излучением =второй уровень (верхний уровень рабочего перехода) более половины частиц. Это делает ее невыгодной энергетически.
Отметим, что не все частицы, заброшенные накачкой на верхний уровень, переходят на уровень 2. Доля частиц, попавших на верхний уровень рабочего перехода, от их полного числа, заброшенных накачкой на верхний уровень, называется квантовым выходом. Для лазера на рубине квантовый выход может достигать значения η = 0.8.
