1.4. Методы создания активной среды

Для того, чтобы с использованием квантовых переходов усилить электромагнитные колебания определенной частоты , их нужно пропустить через вещество, находящееся в таком состоянии, когда между энергетическими уровнями, удовлетворяющими условию , число вынужденных переходов с испусканием превышает число вынужденных переходов с поглощением. А это возможно лишь тогда, когда населенность верхнего уровня рабочего перехода больше населенности нижнего уровня . Под населенностью уровня (в пренебрежении кратностью его вырождения) будем понимать число микросистем в единице объема вещества, обладающих энергией этого уровня (более точно под населенностью понимается величина , где - кратность вырождения i -го уровня).

При термодинамическом (тепловом) равновесии вещества распределение микросистем по энергиям определяется законом Больцмана, согласно которому

(1.20)

т.е. имеет место неравенство и вынужденное поглощение существенно превалирует над испусканием.

Необходимая для усиления ситуация, когда , может быть создана только искусственно, путем инверсии населенностей уровней. В результате инверсии в веществе возникает термодинамически неравновесная (активная) среда. Основным параметром такой среда является инверсная населенность уровней N_ВН = N_В - N_Н . Активная среда существует только тогда (и вещество при этом может обладать усилительными свойствами), когда .

Следует иметь в виду, что факт создания инверсной населенности уровней является условием необходимым, но отнюдь не достаточным для реализации процесса усиления. Существует пороговое значение инверсной населенности, обусловленное тем, что часть мощности вынужденного излучения идет на компенсацию потерь в веществе.

Для создания в веществе активной среды ему нужно сообщить дополнительную энергию.

Процесс передачи веществу энергии с целью создания в нем активной среды называется накачкой.

В лазерах и мазерах используются главным образом следующие способы накачки:

1. Сортировка атомных и молекулярных пучков в пространстве. Метод состоит в пространственном разделении атомов или молекул, находящихся на различных энергетических уровнях, с помощью постоянных во времени, но неоднородных в пространстве магнитного или электрического полей. Применяется в пучковых квантовых генераторах СВЧ.

2. Вспомогательное излучение - метод, основанный на нарушении термодинамического равновесия в веществе при воздействии на него достаточно мощного электромагнитного излучения. Используется в твердотельных лазерах и квантовых парамагнитных усилителях.

3.Электрический разряд в газе. Здесь инверсная населенность уровней создается за счет возбуждения атомов, ионов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в разряде. Используется в газовых лазерах.

4. Инжекция носителей заряда через р - n переход в полупроводниковых лазерах.

5. Электронное возбуждение, основанное на бомбардировке полупроводника пучком электронов. Используется в полупроводниковых лазерах.

6. Химические реакции, в результате которых образуется молекулы в возбужденном состоянии. Используется в газовых(химических) лазерах.

7. Быстрое (сверхзвуковое) расширение сильно нагретых газов. Используется в газодинамических лазерах.

8. Фотодиссоциация молекул, заключающаяся в распадении под действием света молекул на атомы, один из которых оказывается в возбужденном состоянии. Используется в газовых (фотодиссоционных) лазерах.

При анализе процессов накачки и усиления из всего множества энергетических уровней вещества во внимание принимают только те, которые в наибольшей степени влияют на эти процессы. Совокупность этих уровней составляет схему энергетических уровней. Известны три такие схемы: двух-, трех- и четырехуровневая. Для рассмотрения процесса непосредственного усиления, т.е. взаимодействия электромагнитной волны с активной средой на частоте выбранного перехода, часто пользуются двухуровневым приближением. Для рассмотрения же всех аспектов работы квантового генератора или усилителя необходимо привлекать трех- или четырехуровневую схему.