Головна |
Розглянемо процеси отримання в даному середовищі інверсної населеності. На перший погляд може здатися, що інверсію можна створити при взаємодії середовища з досить потужною електромагнітної хвилею частоти w, Яка буде індукувати переходи атомів середовища, що задовольняють висловом:
.
Дійсно, при термодинамічній рівновазі рівень n заселений більше, ніж рівень m, Тобто під дією падаючої хвилі відбувається більше переходів n ® m, ніж m ® n, І можна сподіватися здійснити таким шляхом інверсно населеність.
Однак такий механізм не працюватиме. Коли настануть умови, при яких населеності рівнів виявляться однаковими ( ), Процеси вимушеного випромінювання і поглинання почнуть компенсувати один одного, і середовище стане прозорою для електромагнітної хвилі частоти w (Хвиля проходить, не змінюючи інтенсивності). У такій ситуації говорять про дворівневому насиченні.
Таким чином, використовуючи тільки два рівня, неможливо отримати інверсію населенностей. Для цієї мети використовують трирівневі і чотирьохрівневі схеми лазерів.
У трьохрівневому лазері (ріс.11.3) атоми будь-яким способом переводяться з основного рівня 1 на рівень 3. Якщо обрано середовище, в якій атом, який опинився в збудженому стані на рівні 3, швидко переходить на рівень 2, то в такому середовищі можна отримати інверсію населенностей між рівнями 2 і 1.
У чотирьох рівневий лазері (рис.11.4) атоми також переводяться з основного рівня (будемо називати його нульовим) на рівень 3. Якщо після цього атоми швидко переходять на рівень 2, то між рівнями 2 і 1 може бути отримана інверсна заселеність. Коли в такому чотирирівневої лазері виникає генерація, атоми в процесі вимушеного випромінювання переходять з рівня 2 на рівень 1. Тому для безперервної роботи чотирирівневого лазера необхідно, щоб частинки, що опинилися на рівні 1, дуже швидко переходили на нульовий рівень. У чотирирівневої лазері інверсію отримати набагато легше. Дійсно, різниці рівнів між робочими рівнями лазера багато більше kТ, І в згідно зі статистикою Больцмана майже всі атоми при термодинамічній рівновазі знаходяться в основному стані. Позначимо число атомів в одиниці об'єму середовища через Nt. У разі трирівневої системи ці атоми спочатку знаходяться на рівні 1. Переведемо тепер атоми з рівня 1 на рівень 3. Тоді з цього рівня атоми будуть релаксувати з переходом на більш низький рівень 2. Якщо така релаксація відбувається досить швидко, то рівень 3 залишається практично незаселеним . Для того, щоб населеності рівнів 1 і 2 зробити однаковими, на рівень 2 потрібно перевести половину атомів Nt, Розташованих спочатку на основному рівні. Інверсію населеності буде створювати будь-який атом, перекладений на верхній рівень понад цю половини від загального числа атомів. Однак в чотирирівневої лазері, оскільки рівень 1 спочатку був також незаселеним, новий атом, який опинився в збудженому стані, буде давати внесок в інверсію населенностей.
Якщо верхній рівень накачування порожній, то швидкість, з якою верхній лазерний рівень 2 стане заселятися за допомогою накачування, в загальному випадку дорівнює
(dN2/ Dt)p = WpNn
Nn - населеність основного рівня; Wp - Швидкість накачування.
Векторна модель атома | Хвильова функція системи мікрочастинок | принцип Паулі | лекція 14 | Багатоелектронні атоми | Ефекти Зеемана і Штарка | рентгенівські спектри | Іонна і ковалентний зв'язок. Молекула водню. обмінний інтеграл | молекулярні спектри | Генератори когерентного світла |