Курс лекций Квантовая и оптическая электроника для направления подготовки

W - основной уровень,
2
W - возбужденный уровень.
Пусть на эту систему воздействует излучение с частотой
h
W
W
1
2



.
Под воздействием этого излучения атомы будут переходить в возбужденное
состояние. Населенность уровня
1
N будет уменьшаться, а уровня
2
N
- увеличиваться.
Одновременно с процессами поглощения излучения, будет происходить вынужденное или
индуцированное излучение, то есть переходы с верхнего уровня на нижний, и чем больше
населенность верхнего уровня, тем с большей вероятностью будут происходить процессы
вынужденного излучения. И таким образом, создать инверсную населенность в
двухуровневой системе с помощью оптической накачки невозможно, то есть лазер на
основе двухуровневых атомов с помощью оптической накачки работать не будет.
Рассмотрим трехуровневую систему, то есть газ состоящий из трехуровневых
атомов.
Пусть на эту систему воздействует излучение с частотой
h
W
W
1
3



.
Под воздействием этого излучения атомы будут переходить с основного уровня
1
W
на возбужденный уровень
3
W . Время жизни на
3
W -
3
 мало, а
2
 будет велико. Тогда
атомы будут быстро переходить на уровень
2
W и накапливаться на этом уровне. Таким
образом можно создать инверсную населенность между уровнями
1
W и
2
W , то есть
рабочими уровнями между которыми происходит излучение. Такая трехуровневая
система возбуждения широко используется, но у нее есть существенный недостаток. Мы
предполагали, что населенность уровня
1
3
N
N

, то есть все частицы находятся на
уровне 1 и2. Поскольку полное число частиц
2
1
N
N
N


, то если на каждом из уровней

---

находится
2
N
частиц, то инверсная населенность равна нулю. Если создана ненулевая
инверсная населенность, то это означает, что
2
N >
2
N
, поэтому для трехуровневой
системы нужны большие мощности накачки, причем значительная часть этой мощности
расходится лишь на уравнивание населенности, и таким образом трехуровневая система
характеризуется низким КПД. Например, КПД рубинового лазера составляет сотые доли
процента.
Рассмотрим четырехуровневую систему накачки. Пусть мы имеем газ из
четырехуровневых атомов.
Пусть на эту систему воздействует внешнее излучение с частотой
h
W
W
1
4



. В
результате поглощения происходит переход с уровня 1 на уровень 4. Время жизни
4

мало,
3
 велико,
2
 мало; поэтому в течении небольшого промежутка времени атомы с
уровня 4 будут переходить на уровень 3. Так как
3
 велико, атомы будут накапливаться на
уровне 3. И для создания инверсной населенности нужно создать небольшое число атомов
на уровне 3. И таким образом будет создана инверсная населенность между уровнями 3 и
2, то есть они являются рабочими уровнями. После того как атом перейдет с излучением
кванта на уровень 2, он быстро переходит на уровень 1. так как
2
 мало.
Четырехуровневая система накачки обладает более высоким КПД. По этой схеме
работают гранатовые лазеры, лазеры на красителях, то есть эта система широко
используется.

---

3.1 Твердотельные лазеры.
Рубиновый лазер.
Кристаллы или стекла с введенными ионами активного вещества с концентрациями
от одного до долей процента являются активными средами для твердых лазеров.
Положение уровней у ионов в кристалле будет совершенно другое, чем у свободного
иона. Внутрикристаллические поля могут приводить к уширению уровней и к появлению
энергетических полос (эффект Штарка). Активные среды для лазера должны иметь
метастабильный уровень, который будет верхним рабочим уровнем. Желательно, чтобы
время жизни на нем определялось в основном радиационными, а не безизлучательными
переходами. Линия люминесценции должна быть узкой, вещество должно обладать
широкими полосами поглощения с высоким квантовым выходом. Желательно, чтобы
поглощения вещества лежали не очень высоко над рабочими уровнями. Активное
вещество должно поддаваться обработке, быть прочным и прозрачным для излучения на
частоте генерации.
Рассмотрим рубин. Это кристалл окиси алюминия
3
2