Инверсная населенность. Инверсная заселенность Электропроводность в сильных электрических полях

Прохождение излучения через вещество. Инверсная населенность уровней. Снова рассмотрим двухуровневую среду с энергетическими уровнями и . Если на эту среду падает монохроматическое излучение с частотой

то при распространении его на расстояние dx изменение спектральной плотности энергии будет связано как с резонансным поглощением, так и с индуцированным (вынужденным) излучением атомов системы. За счет индуцированного излучения спектральная плотность энергии в пучке возрастает, причем это увеличение энергии должно быть пропорционально:

.

Здесь - размерный коэффициент пропорциональности.

Аналогично за счет процессов поглощения фотонов спектральная плотность энергии в пучке уменьшается:

.

Складывая и , находим полное изменение плотности энергии:

Учитывая равенство коэффициентов Эйнштейна и вводя коэффициент поглощения a , записываем это уравнение в виде

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид

.

Эта формула дает спектральную плотность энергии u в пучке фотонов при прохождении ими слоя вещества толщиной x , где соответствует точке x = 0 .

В условиях термодинамическою равновесия, в соответствии с распределением Больцмана, , поэтому коэффициент поглощения а положителен ():

Таким образом, плотность энергии излучения, как видно из (6.18), убывает по мере прохождения через вещество, то есть свет поглощается. Однако, если создать систему, в которой , то коэффициент поглощения станет отрицательным и будет иметь место не ослабление, а усиление интенсивности света. Состояние среды, в котором называется состоянием с инверсной населенностью уровней , а сама среда называется тогда активной средой . Инверсная населенность уровней противоречит равновесному распределению Больцмана и может быть создана искусственно, если система выведена из состояния термодинамического равновесия.

Это создает принципиальную возможность усиления и генерации когерентного оптического излучения и используется на практике при разработке источников такого излучения - лазеров.

Принцип работы лазера. Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах (активных средах). Первый практический генератор в видимой области спектра был создан в (США Мейманом (1960)) на основе рубина. Рубин представляет собой кристаллическую решетку , содержащую небольшую (0,03 % – 0,05 % ) примесь ионов хрома (). На рис. 6.1 представлена схема энергетических уровней хрома (трехуровневая среда ). Широкий уровень используется для возбуждения ионов хрома светом мощной газоразрядной лампы с широкой полосой частот в зелено-голубой области видимого света - лампы накачки . Возбуждение ионов хрома за счет энергии накачки от внешнего источника изображено стрелкой .

Рис. 6.1. Схема активной трехуровневой среды (рубин)

Электроны с короткоживущего уровня совершают быстрый ( c ) безызлучательный переход на уровень (изображен синей стрелкой). Выделяемая при этом энергия не испускается в виде фотонов, а передается кристаллу рубина. При этом рубин нагревается, поэтому в конструкции лазера предусматривается его охлаждение.

Время жизни долгоживущего узкого уровня составляет c , то есть на 5 порядков больше, чем у широкополосного уровня . При достаточной мощности накачки число электронов на уровне (его называют метастабильным ) становится больше, чем на уровне , то есть создается инверсная населенность между «рабочими» уровнями и .

Излученный при спонтанном переходе между этими уровнями фотон (изображен штриховой стрелкой ) индуцирует испускание дополнительных (вынужденных) фотонов - (переход показан стрелкой ), которые в свою очередь вызывают индуцированное излучение целого каскада фотонов с длиной волны .

Пример 1. Определим относительную населенность рабочих уровней в кристалле рубина при комнатной температуре в условиях термодинамического равновесия.

Исходя из длины волны, испускаемой рубиновым лазером, находим разность энергий:

.

При комнатной температуре Т = 300 К имеем:

Из распределения Больцмана следует теперь

.

Реализация активной среды с инверсной населенностью уровней - это лишь половина дела. Для работы лазера необходимо также создать условия для генерации света, то есть использовать положительную обратную связь . Активная среда сама по себе способна лишь усиливать проходящее излучение. Для осуществления режима генерации необходимо такое усиление индуцированного излучения, которое компенсировало бы все потери в системе. Для этого активное вещество помещают в оптический резонатор , образованный, как правило, двумя параллельными зеркалами, одно из которых является полупрозрачным и служит для вывода излучения из резонатора. Конструктивно в первых лазерах на рубине использовались кристаллы цилиндрической формы длиной 40 мм и диаметром 5 мм . Торцы были отполированы параллельно друг другу и служили зеркалами резонатора. Один из торцов был посеребрен так, что коэффициент отражения был близок к единице, а другой торец был полупрозрачным, то есть имел коэффициент отражения меньше единицы, и использовался для вывода излучения из резонатора. Источником возбуждения служила мощная импульсная ксеноновая лампа, обвивающая рубин спиралью. Устройство рубинового лазера схематически представлено на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Устройство рубинового лазера: 1 - рубиновый стержень; 2 - импульсная газоразрядная лампа; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - зеркало; 5 - индуцированное излучение

При достаточной мощности лампы накачки большинство (около половины) ионов хрома переводится в возбужденное состояние. После того как достигается инверсная населенность для рабочих уровней с энергией и , первые спонтанно излучаемые фотоны, соответствующие переходу между этими уровнями, не имеют преимущественного направления распространения и вызывают индуцированное излучение, распространяющееся также по всем направлениям в кристалле рубина. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от его торцов. Фотоны же, распространяющиеся в других направлениях, выходят из кристалла рубина через его боковую поверхность и не участвуют в формировании выходящего излучения. Так в резонаторе генерируется узкий пучок света, а многократное прохождение фотонов через активную среду индуцирует излучение все новых и новых фотонов, усиливая интенсивность выходного пучка.

Генерация светового излучения рубиновым лазером показана на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Генерация излучения рубиновым лазером

Таким образом, оптический резонатор выполняет две функции: во-первых, создает положительную обратную связь и, во-вторых, формирует узкий направленный пучок излучения с определенной пространственной структурой.

В рассмотренной трехуровневой схеме для создания инверсной населенности между рабочими уровнями нужно возбудить достаточно большую долю атомов, что требует значительных затрат энергии. Более эффективной является четырехуровневая схема , которая применяется в твердотельных лазерах, например, с использованием ионов неодима . В наиболее распространенном газовом лазере на нейтральных атомах - гелий - неоновом лазере - также выполняются условия для генерации по четырехуровневой схеме. Активной средой в таком лазере является смесь инертных газов - гелия и неона с энергией основного состояния (которую мы принимаем за нулевой уровень ). Накачка осуществляется в процессе электрического газового разряда, благодаря которому атомы переходят в возбужденное состояние с энергией . Уровень в атомах неона (рис. 6.4) близок к уровню в гелии, и при столкновении атомов гелия с атомами неона энергия возбуждения может быть эффективно передана последним без излучения.

Рис. 6.4. Схема уровней Не - Ne -лазера

Таким образом, уровень неона оказывается более населенным, нежели более низкий уровень . Переход между этими рабочими уровнями сопровождается излучением с длиной волны 632.8 нм , которая является основной в промышленных Не-Ne -лазерах. На уровне атомы неона долго не задерживаются, быстро возвращаясь в основное состояние. Заметим, что уровень в неоне заселен крайне незначительно, и потому для создания инверсной населенности между и надо возбудить небольшое число атомов гелия. Это требует гораздо меньших затрат энергии как на накачку, так и на охлаждение установки, что характерно для четырехуровневой схемы генерации. Для лазерной генерации могут быть использованы и другие уровни неона (не показаны на рис. 6.4), дающие излучение как в видимом, так и в ИК-диапазоне, причем гелий используется только для процесса накачки.

Пример 2. Найдем относительную равновесную населенность уровня в неоне при комнатной температуре.

Эта задача отличается от предыдущей лишь численными значениями. Для разнообразия проведем вычисления в электрон-вольтах. Выразим сначала в этих единицах постоянную Больцмана:

так что при комнатной температуре

.

Теперь легко находим

Столь малое число с практической точки зрения не отличается от нуля, поэтому даже при слабой накачке создается инверсная населенность между уровнями и .

Излучение лазеров отличается характерными особенностями:

высокой временной и пространственной когерентностью (монохроматичность излучения и малая расходимость пучка);

высокой спектральной интенсивностью.

Характеристики излучения зависят от типа лазера и режима работы, однако можно отметить некоторые близкие к предельным значения параметров:

Короткие (пикосекундные) импульсы лазера незаменимы при изучении быстротекущих процессов. В импульсе может развиваться чрезвычайно высокая пиковая мощность (до нескольких ГВт), что равно мощности нескольких блоков АЭС по миллион кВт каждый. При этом излучение может быть сосредоточено в узком конусе. Такие пучки позволяют, например, «приваривать» сетчатку к глазному дну.

Типы лазеров. В рамках курса общей физики мы не можем остановиться подробно на специфических особенностях и технических применениях лазеров различных типов ввиду их чрезвычайного многообразия. Ограничимся лишь достаточно кратким обзором типов лазеров, различающихся характеристиками активной среды и способами накачки.

Твердотельные лазеры. Обычно они бывают импульсными, первым таким лазером был описанный выше рубиновый. Популярны лазеры на стекле с неодимом в качестве рабочего вещества. Они генерируют свет с длиной волны порядка 1,06 мкм , имеют большие размеры и пиковую мощность до ТВт. Могут быть использованы для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Пример - огромный лазер «Шива» в Ливерморской лаборатории в США.

Очень распространены лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG), излучающие в ИК-диапазоне на длине волны мкм . Они могут работать как в непрерывном режиме генерации, так и в импульсном, с частотой повторения импульсов до нескольких кГц (для сравнения: у рубинового лазера - 1 импульс в несколько минут). Имеют широкий спектр применений в электронной технике (лазерная технология), оптической локации, медицине и др.

Газовые лазеры. Обычно это лазеры непрерывного действия. Отличаются правильной пространственной структурой пучка. Пример: гелий-неоновый лазер, генерирующий свет на длинах волн 0,63 , 1,15 и 3,39 мкм и имеющий мощность порядка мВт. В технике широко используется - лазер с мщностью порядка кВт и длинами волн 9,6 и 10,6 мкм . Один из способов накачки газовых лазеров - электрический разряд. Разновидность лазеров с активной газовой средой - химические и эксимерные лазеры.

Химические лазеры. Инверсная населенность создается в процессе химической реакции между двумя газами, например водородом (дейтерием) и фтором. В основе лежат экзотермические реакции

.

Молекулы HF уже рождаются с возбуждением колебаний, что сразу создает инверсную населенность. Образовавшаяся рабочая смесь пропускается со сверхзвуковой скоростью через оптический резонатор, в котором в виде электромагнитного излучения выделяется часть накопленной энергии. С помощью системы зеркал резонатора это излучение фокусируется в узкий луч. Такие лазеры излучают большую энергию (более 2 кДж ), длительность импульса около 30 нс , мощность до Вт . КПД (химический) достигает 10 % , в то время как обычно для других типов лазеров - доли процента. Генерируемая длина волны - 2,8 мкм (3,8 мкм для лазеров на DF ).

Из многочисленных типов химических лазеров наиболее перспективными признаны лазеры на фтористом водороде (дейтерии). Проблемы: излучение лазеров на фтористом водороде с указанной длиной волны активно рассеивается молекулами воды, всегда имеющимися в атмосфере. Это намного ослабляет яркость излучения. Лазер на фтористом дейтерии работает на длине волны, для которой атмосфера практически прозрачна. Однако удельное энерговыделение таких лазеров в полтора раза меньше, чем у лазеров на HF . Это значит, что при использовании их в космосе придется выводить гораздо большее количество химического топлива.

Эксимерные лазеры. Молекулы эксимера - это двухатомные молекулы (например, ), которые могут находиться только в возбужденном состоянии - невозбужденное состояние у них оказывается неустойчивым. С этим связана основная особенность эксимерных лазеров: основное состояние эксимерных молекул является незаполненным, то есть нижний рабочий лазерный уровень всегда оказывается пустым. Накачка осуществляется импульсным электронным пучком, который переводит значительную часть атомов в возбужденное состояние, в котором они и объединяются в эксимерные молекулы.

Поскольку переход между рабочими уровнями является широкополосным, возможна перестройка частоты генерации. Лазер на дает перестраиваемые излучения в области УФ ( нм ) и имеет высокую эффективность (20 % ) преобразования энергии. В настоящее время эксимерные -лазеры с длиной волны 193 нм используются в офтальмологической хирургии для поверхностного испарения (абляции) роговицы.

Жидкостные лазеры. Активное вещество в жидком состоянии однородно и допускает циркуляцию с целью охлаждения, что создает преимущества перед твердотельными лазерами. Это позволяет получить большие энергии и мощности в импульсном и непрерывном режимах. В первых жидкостных лазерах (1964–1965) использовались соединения редкоземельных элементов. На смену им пришли лазеры на растворах органических красителей.

В таких лазерах обычно используется оптическая накачка излучения других лазеров видимого или УФ-диапазона. Интересным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты генерации. Подбором красителя можно получить генерацию на любой длине волны от ближнего ИК- до ближнего УФ-диапазона. Это связано с широкими сплошными колебательно-вращательными спектрами молекул жидкости.

Полупроводниковые лазеры. В отдельный класс выделяются твердотельные лазеры на полупроводниковых материалах. Накачка производится бомбардировкой пучком электронов, мощным лазерным облучением, но чаще - методами электроники. В полупроводниковых лазерах используются переходы не между дискретными уровнями энергии отдельных атомов или молекул, а между разрешенными энергетическими зонами, то есть совокупностями близко расположенных уровней (об энергетических зонах в кристаллах подробнее говорится в последующих разделах). Использование различных полупроводниковых материалов позволяет получать излучение на длинах волн от 0,7 до 1,6 мкм . Размеры активного элемента чрезвычайно малы: длина резонатора может быть менее 1 мм .

Типичная мощность порядка нескольких кВт, длительность импульса около 3 нс , эффективность достигает 50 % , имеют широкое применение (волоконная оптика, связь). Могут быть использованы для проецирования телевизионного изображения на большой экран.

Лазеры на свободных электронах. Пучок высокоэнергетических электронов пропускается через «магнитную гребенку» - пространственно-периодическое магнитное поле, вынуждающее электроны колебаться с заданной частотой. Соответствующее устройство - ондулятор - представляет собой ряд магнитов, которые располагаются между секциями ускорителя, так что релятивистские электроны движутся вдоль оси ондулятора и совершают поперечные ей колебания, излучая первичную («спонтанную») электромагнитную волну. В открытом резонаторе, куда далее поступают электроны, спонтанная электромагнитная волна усиливается, создавая когерентное направленное лазерное излучение. Главная особенность лазеров на свободных электронах состоит в возможности плавной перестройки частоты генерации (от видимого до ИК-диапазона) за счет изменения кинетической энергии электронов. КПД таких лазеров составляет 1 % при средней мощности до 4 Вт . С использованием устройств возврата электронов в резонатор КПД может быть увеличен до 20–40 % .

Рентгеновский лазер с ядерной накачкой. Это наиболее экзотический лазер. Схематично он представляет собой ядерную боеголовку, на поверхности которой укреплено до 50 металлических стержней, ориентированных в разных направлениях. Стержни имеют две степени свободы и, подобно стволам орудий, могут направляться в любую точку пространства. Вдоль оси каждого стержня расположена тонкая проволока из материала высокой плотности (порядка плотности золота) - активная среда. Источником энергии накачки лазера служит ядерный взрыв. При взрыве активное вещество переходит в плазменное состояние. Мгновенно остывая, плазма испускает когерентное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Из-за высокой концентрации энергии излучение, попадая на цель, приводит к взрывному испарению вещества, образованию ударной волны и разрушению цели.

Таким образом, принцип действия и устройство рентгеновского лазера делают очевидным и область его применения. В описанном лазере не предусмотрены зеркала резонатора, использование которых в рентгеновском диапазоне не представляется возможным.

Некоторые виды лазеров показаны на рисунке ниже.

Некоторые виды лазеров: 1 - лабораторный лазер; 2 - лазер непрерывного действия на ;
3 - технологический лазер для пробивания отверстий; 4 - мощный технологический лазер

Инверсная заселенность – это концентрация атомов с одинаковым энергетическим со- стоянием; в термодинамическом равновесии подчиняется статистике Больцмана:

Где – концентрация атомов, состояние электронов в которых соответствует энергетическим уровням с энергией и .

Когда концентрация невозбужденных атомов больше, чем возбужденных, величина Δn = отрицательна, следовательно, населенность нормальная. Когда концентрация возбужденных атомов больше, чем невозбужденных (что обеспечивается воздействием энергии накачки), величина Δn становится положительной, то есть происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет возбужденных атомов.

Формально условие Δn > 0 выполняется при абсолютной отрицательной температуре T < 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

В полупроводниковых лазерах инверсия между населенностями энергетических уровней зоны проводимости и валентной зоны достигается инжекцией носителей при положительном смещении p-n-перехода.

Лазерное усиление

Лазерное усиление - это усиление оптического излучения, основанное на использовании индуцирующего излучения – при воздействии кванта излучения на атом в возбужденном состоянии, происходит переход электрона из состояния с энергией в состояние с энергией , сопровождаемый испусканием кванта излучения c энергией, равной энергии вынуждающего кванта hν = – .

В среде с достаточной концентрацией возбужденных атомов при пропускании через нее излучения, можно получить режим усиления, если количество образовавшихся фотонов существенно больше потерь на поглощение и рассеяние.

Инжекционный лазер представлен на рисунке 1.3

Рис. 1.3.Схема устройства полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)

На рис.1. 4 представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми у них выравниваются (рис.1. 4 а). А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1. 4. б).

Рис.1. 4. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б). d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.

В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная населённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны. По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этом процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.

На рис.1. 5 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.

Рис.1. 5. Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.

В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес академик РАН Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года). Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 1. 6, а её энергетическая схема – на рис. 1. 7.

Рис. 1.6. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.

Рис. 1.7 .Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис. 1. 6. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.

Рис. 1. 8. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: l - длина резонатора

Активная среда

Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность. В разных типах лазеров она может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. Лазеры получают названия в зависимости от используемой активной среды.

Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.

Существует два типа полупроводниковых лазеров.

Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, где в качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe

Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер – состоит из примесных полупроводников, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019 . Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия GaAs.

Условие создания инверсной населенности для полупроводников на частоте v имеет вид:

∆F= - >hv

То есть, чтобы излучение в полупроводниковом монокристалле усиливалось, расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок должно быть больше энергии кванта света hv. Чем меньше частота, тем при меньшем уровне возбуждения достигается инверсная населенность.

Система накачки

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.

В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров).

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3.1) или продольной (рис. 3 .2). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Рис. 3.1 - Поперечная накачка электронным пучком

Рис. 3.2 - Продольная накачка электронным пучком

В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 3.3).

Рис. 3.3 - Принцип устройства инжекционного лазера

Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера.

Резонатор

Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фаби – Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии друг от друга.

В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.

Рис. 4.1. Типы оптических резонаторов: а – плоский, б – призменный, в – конфокальный, г – полуконцентрический, д – составной, е – кольцевой, ж,з – скрещенные, и – с брэгговскими зеркалами. Заштрихованы активные элементы.

В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 4.1, б). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора.

Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф (рис. 4.1, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор.

Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. Например, рис. 4. 1, д. – составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 4. 1,е).

Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скрещенные резонаторы (рис. 4. 1. ж,з). Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью.

Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 4. 1, и) или селективным воздействием на однородную среду.

Используются и другие конструкции резонаторов.

По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации.

Потери в резонаторе

Генерацию излучения упрощенно можно представить так: рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз. Например, в плоском резонаторе через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Так появляются потери.

Выделяют несколько видов потерь на резонаторе:

1.Потери на зеркалах.

Поскольку часть генерируемого в среде излучения необходимо вывести из резонатора, применяемые зеркала (по крайней мере одно из них) делаются полупрозрачными. Если коэффициенты отражения зеркал по интенсивности равны R1 и R2 , то коэффициент полезных потерь на выход излучения из резонатора в расчете на единицу длины будет задаваться формулой:

2.Геометрические потери

Если луч распространяется внутри резонатора не строго нормально поверхностям зеркал, то после определенного числа отражений он достигнет краев зеркал и покинет резонатор.

3. Дифракционные потери.

Рассмотрим резонатор, образованный двумя плоскопараллельными круглыми зеркалами радиусом a. Пусть на зеркало 2 падает параллельный пучок излучения с длиной волны λ. Пучок отражается от зеркала и одновременно дифрагирует в угол порядка d ϕ ≈ λ a . Числом Френеля для данного резонатора называется число проходов между зеркалами, когда итоговая расходимость пучка достигнет угла выхода излучения за края зеркал ϕ=a/L

4.Рассеяние на неоднородностях активной среды.

Если резонатор заполнен активной средой, то возникают дополнительные источники потерь. При прохождении излучения через активную среду часть излучения рассеивается на неоднородностях и посторонних включениях, а также ослабляется в результате нерезонансного поглощения. Под нерезонансным поглощением понимают поглощение, связанное с оптическими переходами между уровнями, не являющимися рабочими для данной среды. Сюда же могут быть отнесены потери, связанные с частичным рассеянием и поглощением энергии в зеркалах.

Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10-8 сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях E 2 и составляет 10-3 сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1. Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволило создать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длиной волны l " 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостей уровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ на уровни E2, за время, не превышающее 10-3 сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3 сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Большое распространение получил метод создания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрических разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергию излучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением ряда др. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновений возбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного из колебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпд достигает 20-30%.

В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см. Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, - порядка 0,1 дж на 1 см 3 объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. создание активной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическим возбуждением.

К этим методам, имеющим широкое применение, относятся последние пять групп методов, упомянутых в 1. Рассмотрим их по порядку.

1. Метод внешней накачки или внешнего возбуждения многоуровневой системы. В настоящее время этот метод получил самое большое распространение в квантовых приборах как в мазерах, так и в твердотельных и жидкостных лазерах. Он применяется частично и в газовых лазерах. Обычно в нем используются трехуровневые переходы или, как говорят, трехуровневые системы. Суть метода заключается в следующем. Представим три уровня (рис. 6,а), один из которых (нижний) соответствует нормальному невозбужденному положению электрона, а два верхних - уровни возбуждения. Предположим, что необходимо усилить колебания, т.е. рабочим переходом является переход 3-2. Чтобы создать инверсную населенность уровней 3,2, среду облучают извне квантами энергии, которые переводят частицы с уровня 1 на уровень Эти кванты или, как их называют, кванты накачки и создают повышенную населенность уровней 3 по сравнению с уровнями 2, и поэтому, когда приходит сигнал (кванты), этот сигнал усиливается за счет индуцированных переходов 3-2. Перейдя после акта усиления на уровень 2, частица затем за счет спонтанного квантового перехода попадает обратно на уровень 1 (волнистая стрелка на рис. 6,а). В дальнейшем спонтанные переходы будем обозначать волнистыми стрелками, а индуцированные переходы - прямыми. Примером квантовых приборов, в которых используется упомянутый метод, могут служить парамагнитные мазеры, которые могут работать только при сверхнизких температурах (4,2 К) и в которых энергетические уровни 1,2,3 появляются за счёт расщепления из - за эффекта Зеемана одного уровня во внешнем постоянном магнитном поле, а также ряд атомарных молекулярных и ионных газовых лазеров на парах металлов.

Кроме показанного способа может также использоваться способ, где в качестве рабочего перехода служит переход 2-1, когда квантами накачки по-прежнему являются кванты, а сигнальными квантами являются кванты (см. рис. 6,б). Примером лазера, работающего по схеме рис. 6,б может служить лазер на рубине. В квантовых приборах часто используются различные типы внешней накачки четырехуровневых систем (рис. 7,а,б,в,г). При этом могут использоваться обычные прямые или одноквантовые методы, иллюстрируемые схемами рис. 7 а,б, в которых рабочим переходом является либо переход 4-3, либо переход 3-2. (Лазеры на алюминиево-иттриевом гранате, на стекле с примесью неодима). Кроме того, в четырехуровневых системах могут использоваться методы двойной (или как их еще называют, последовательной или двухквантовой) накачки, которые возможно осуществить в тех случаях, когда какие-нибудь два энергетические расстояния между уровнями системы одинаковы. Мы рассмотрим два таких метода, используемых в парамагнитных мазерах:

1) Метод удвоения частоты вспомогательного излучения.

Реализация этого метода ясна из схемы рис. 7,в и возможна в том случае, когда

причем кванты являются квантами накачки, а кванты

квантами сигнала;

2) Метод симметричного возбуждения или, как его иначе называют, метод пушпульной накачки. Схема его показана на рис. 7,г. Этот метод двойной накачки реализуется в рубине при угле между осью симметрии кристалла и внешним полем, равным. В этом методе сигнальными квантами являются кванты, а квантами накачки - кванты. Метод возможен, очевидно, в том случае, когда, что имеет место в рубине при угле двойной накачки.

Методы двойной накачки обычно позволяют получить значительно большую степень инверсии населенности уровней, чем методы обычной накачки. В твердотельных мазерах в качестве парамагнитных веществ чаще всего используется рубин, рутил или или вольфраматы (соли типа, где), а в твердотельных лазерах, кроме рубина, часто используют стекло, активированное неодимом, а также иттрий-алюминиевый гранат.

Четырехуровневые системы получили в последнее время большое распространение в жидкостных лазерах. Жидкостные лазеры в настоящее время имеют две разновидности - жидкостные лазеры на основе неорганических жидких сред и на органических красителях. Первая группа представляет собой лазеры, использующие растворы солей редкоземельного элемента неодима в неорганических жидкостях. Их можно считать аналогами твердотельных лазеров, использующих стекло с примесью неодима.

Вторая группа использует молекулы органических красителей. Энергетическая структура такой молекулы содержит большое число колебательно-вращательных подуровней, которые присутствуют как в основном состоянии молекулы, так и в возбужденном. Под влиянием квантов внешней накачки, в качестве которых может использоваться излучение либо лампы-вспышки, либо другого квантового генератора, молекулы переходят с уровня 1 основного состояния на верхний уровень 4 возбужденного состояния. Затем путем безызлучательного перехода молекула попадает на нижний уровень 3 возбужденного состояния, излучает рабочий квант, попадая на верхний уровень 2 основного состояния, и затем с помощью безызлучательного перехода вновь оказывается на уровне основного состояния. Таким образом, работа жидкостных лазеров на основе молекул органических красителей осуществляется по четырехуровневой системе. Большим достоинством таких лазеров является возможность получения с их помощью различных длин генерируемых волн от ультрафиолетовых до ближних инфракрасных. Для этого надо использовать различные типы красителей.

Необходимо отметить, что до сих пор при рассмотрении квантовых переходов в многоуровневых системах были указаны только полезные квантовые переходы, т.е. только те переходы, которые непосредственно определяют работу квантовых приборов. Однако кроме них есть еще ряд бесполезных индуцированных переходов, которые всегда сопровождают упомянутые полезные переходы, но в большинстве случаев бывают обратными по отношению к полезным переходам и также довольно существенно влияют на населенность уровней и, следовательно, на работу квантовых приборов. Полная схема всех переходов в трехуровневой системе (см. рис. 7, а) имеет вид, показанный на рис. 6, в, причем двойными стрелками показаны полезные переходы; а одинарными - бесполезные. Показанные в этой схеме спонтанные переходы на верхние уровни с более нижних обычно осуществляются в твердых телах за счет тепловых колебаний решетки, рассматриваемых здесь как случайный фактор, и имеют, как правило, сравнительно малую вероятность.

2. Метод возбуждения многоуровневой системы акустическими (ультразвуковыми или гиперзвуковыми) колебаниями. В принципиальном отношении этот метод ничем не отличается от предыдущего, только в нем или один или оба полезных индуцированных перехода осуществляются за счет воздействия акустических (обычно ультразвуковых или гиперзвуковых) колебаний, а не за счет электромагнитных колебаний, как в предыдущем случае. Иными словами, в этом методе рабочими квантами, или квантами накачки, являются не фотоны, а фононы.

Очевидно, что для реализации этого метода квантовая система, во-первых, должна хорошо пропускать ультразвук или гиперзвук, а во-вторых, должна быть помещена внутри соответствующего ультра- или гиперзвукового акустического резонатора. При этом может быть три типа квантовых систем, использующих квантовые переходы за счет фононов, т.е. может быть три типа систем, называемых акустическими мазерами:

• 1) Системы с фононным возбуждением, служащие для получения усиления ультра- или гиперзвука. В этих системах накачка и сигнал представляют собой ультра- или гиперзвуковые колебания, передающиеся извне посредством соответствующих пьезоэлектрических вибраторов, преобразующих в эти колебания обычную электромагнитную энергию;
• 2) Системы с электромагнитным возбуждением, служащие для усиления или генерации ультра- или гиперзвуковых колебаний. В этих системах накачка осуществляется фотонами, а сигнал представляет собой поток фононов, причем, очевидно, что такая система, если она резонансная, должна быть помещена как внутри электромагнитного резонатора (по накачке), так и внутри акустического резонатора (по сигналу).

Именно эти два типа систем часто и называют акустическими мазерами;

3)Системы с возбуждением ультра- или гиперзвуковыми колебаниями, служащие для усиления или генерации электромагнитных колебаний. Такая система, являющаяся как бы обратной по отношению к предыдущей системе, часто называется обратным акустическим мазером. Она как раз и представляет собой интересующую нас многоуровневую систему, возбуждаемую фононами.

Так как фононы, подобно фотонам, являются квантами энергии, то все те общие соображения, которые в прошлом обсуждались по поводу квантовых переходов, связанных с воздействием фотонов, относятся так же и к случаю воздействия фононов.

Метод получения инверсии населенности уровней за счет газоразрядного возбуждения. Этот метод, используемый в лазерах, несмотря на его очень широкое распространение, до сих пор изучен в деталях значительно слабее, чем все предыдущие методы. Суть его заключается в том,

что атомы, ионы или молекулы в газовом разряде обычно под влиянием разного рода столкновений получаются возбужденными по трехуровневой или четырехуровневой системам. Детали схемы возбуждения могут быть в разных системах и для разных уровней самыми различными, причем система может быть вообще многоуровневая. По характеру используемой среды и частично по особенностям механизма образования инверсной населенности газоразрядные лазеры можно разделить на атомарные, ионные и молекулярные. Атомарные ОКГ, за исключением неон-гелиевого лазера, работающего в диапазоне видимого света, дают генерацию в инфракрасном диапазоне длин волн. Ионные ОКГ, использующие переходы между уровнями энергии ионизированных газов, таких как аргон, пары кадмия, селена, ртути и др., дают генерацию в основном в области видимого света и являются основными источниками излучения синего и зеленого цветов и ультрафиолетовых линий. Молекулярные ОКГ могут давать более широкий спектр излучения, от инфракрасных до ультрафиолетовых линий. Однако среди ряда различных возможных типов возбуждения атомов или молекул в газовом разряде можно выделить некоторые основные механизмы возбуждений, которые выполняют главную роль в тех или иных газоразрядных лазерных системах. Мы рассмотрим три таких типа возбуждений: 1) за счет столкновений; 2) за счет диссоциации молекулы; 3) электроионизационное и фотоионизационное.

Возбуждения за счет столкновений можно, в свою очередь, разделить на две группы:

а) возбуждение атомов или молекул газа при неупругих соударениях с электронами. При этом переход 1-3 осуществляется либо прямым ударом электрона в газовом разряде, либо рядом последовательных возбуждений с одного уровня на другой, имеющий большую энергию. Таким способом удается возбудить лишь сравнительно небольшое число типов атомов. Примером может служить возбуждение прямым столкновением одного из уровней из серии в атоме неона (уровня, второго сверху по энергии в сверхтонкой структуре, так, что его можно обозначить.):

Рабочим переходом при этом является переход

соответствующий излучаемой длине мкм.

Наиболее интенсивное возбуждение атома ударом электрона идет в этом случае, когда энергия налетающего электрона немного больше пороговой энергии возбуждения атома. Примером возбуждения рядом последовательных столкновений с электронами может служить возбуждение молекул в лазерах на смеси и;

б) возбуждение столкновениями в газовом разряде при наличии примесей. Инверсную населенность уровней можно получать со значительно большей интенсивностью, если использовать разумно подобранную смесь газов, такую, что возбуждение атомов основного газа А идет не только за счет столкновений с электронами, но и за счет резонансной потери энергии от возбужденных столкновениями на метастабильные уровни атомов примесного газа В. Таким образом, процесс возбуждения атома идет в определенной степени следующим путем. Атомы В за счет столкновений с электронами получают возбуждение, соответствующее переходу. Желательно, чтобы уровень был метастабильным и чтобы между уровнями и не было промежуточных уровней. Этот случай реализуется, например в атомах гелиядля переходов парагелий-ортогелий и (последний при наличии промежуточного уровня с запрещенным переходом).

Кроме того, энергетическое расстояние должно быть близко к. Из этих соображений нужно подбирать газ. В связи с метастабильностью возбужденные атомы живут сравнительно долго и, сталкиваясь с атомами, передают им энергию своего возбуждения по схеме

Таким способом удалось получить генерацию на серии смесей атомов инертных газов и молекул, например, на. При этом роль примесных атомов играют атомы в первых двух случаях, и атомы и молекулы в последних случаях. Эта роль в ряде случаев оказывается определяющей в возможности получения лазерной генерации. Так, например, в без примесей за счет чисто электронного возбуждения столкновением удалось получить генерацию только на трех переходах, а в смеси число генерируемых в различных условиях переходов достигает двадцати двух. Аналогично этому чистый генерировал только на двух переходах, а в смеси на семнадцати переходах. И таких примеров можно привести множество.

Рассмотрим метод возбуждения за счет диссоциации молекул. Этот метод основан на следующем процессе. Молекула, состоящая из двух атомов и, под влиянием столкновения с электроном или с другой молекулой, или с атомом, или с фотоном оказывается в возбужденном состоянии, из которого выходит путем диссоциации на атомы, причем один из них оказывается возбужденным. Процесс описывается уравнением

Однако, обычно, в качестве ударяющей по молекуле частицы выступает квант света, фотон, причем процесс называется фотодиссоциацией и имеет высокую эффективность. Так как метод диссоциации может быть реализован в отсутствии газового разряда, то этот метод часто относят к химическим методам получения инверсной населенности. В одном из первых лазеров, использующих этот метод, газ подвергался облучению светом мощной импульсной лампы, вызывая фотодиссоциацию по схеме, а затем возбужденные атомы йода давали генерацию на дине волны мкм. Так как процессу фотодиссоциации могут быть подвергнуты большие объемы газа, то йодные лазеры могут давать большую импульсную и непрерывную мощность излучения. Полагая, что процесс диссоциации описывается системой превращений молекулы и записывая два уравнения кинетики этого процесса для соответствующих концентраций рассматриваемых частиц

где - вероятность в единицу времени фотовозбуждения молекулы; - соответствующая вероятность ее образования при столкновении одного атома и атома;

и - вероятности спонтанного и индуцированного переходов в единицу времени, можно с учетом (4) из стационарного варианта (24) получить аналог формулы (9):

где - интенсивность (поток мощности) излучения, причем приближенное значение для получено в предположении достаточно быстрого процесса восстановления молекул, когда суммарная их концентрация настолько велика, что и.

Рассмотрим метод электроионизационного и фотоионизационного возбуждения газоразрядных лазеров, первый из которых уже упоминался в разд. 2. при описании метода получения эксимерных молекул.

Одной из основных задач лазерной техники является задача повышения энергии излучения, снимаемой с единицы объема возбужденного газа. Для решения этой задачи необходимо повысить давление газа. При этом энергия электронов в разряде тратится, во-первых, на создание проводимости плазмы (на ионизацию) и, во-вторых, на возбуждение активных частиц газа. Однако оптимальные значения энергии электронов, необходимые для выполнения каждой из этих функций, получаются различными, что существенно уменьшает эффективность системы. Для раздельного выполнения этих функций (ионизации и возбуждения) с целью повышения эффективности системы применяется электроионизационный метод, который состоит в том, что в область разряда дополнительно впрыскивается поток электронов, служащих для ионизации атомов газа, т.е. для создания проводимости плазмы. При этом напряжение на электродах можно уменьшить с тем, чтобы оно стало оптимальным для возбуждения атомов газа.

В устройстве, использующем электроионизационный метод, через отверстие в катоде разрядного промежутка в область между электродами разряда поступают электроны, идущие из вакуумного объема, отделенного от области разряда, в которой давление близко к атмосферному, тонкой алюминиевой фольгой. Электроны, созданные электронной пушкой или системой пушек, бомбардируют эту фольгу с высокой энергией (порядка 100 кэВ) и проникают через нее в область разряда, имея скорости, оптимальные для ионизации. Так как система работает в импульсном режиме, фольга не успевает сгореть. Специальные зеркала образуют в разрядном промежутке резонатор Фабри-Перо, причем одно из зеркал выпускает кванты генерации.

Фотоионизационный метод отличается от электроионизационного тем, что ионизация в разрядном промежутке осуществляется внешним облучением светом, а не быстрыми электронами.

Газодинамический метод получения инверсной населенности. Этот метод был предложен советскими физиками В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым в 1966 г. Идея его состоит в следующем. Если нагреть газ, состоящий из атомов или молекул, имеющих трехуровневую систему (рис. 8), в которой вероятность спонтанного перехода значительно больше вероятности спонтанного перехода и больше вероятности перехода, то при нагревании число возбужденных молекул, находящихся на уровнях 2, будет больше, чем число молекул, находящихся на уровнях 3, т.к. .

Однако, если затем этот газ быстро охладить, то на уровнях 3 задержится больше молекул, чем на уровнях 2 из-за того, что и таким образом в течение некоторого времени будет создана инверсная населенность на переходе. На рис. 8 показано изменение во времени t, прошедшем после момента охлаждения газа, числа возбужденных молекул, находящихся на уровнях и. Видно, что при.Схема установки, реализующей этот метод на основе использования молекул, представлена на рис 9.

В камеру сгорания 1 поступает по трубке 2 жидкое топливо, а по трубкам 3 и 4 кислород и молекулы и, служащие в качестве примесей. С помощью запального устройства 5 топливо воспламеняется, образуется и горячая смесь газов, имеющих относительный состав

поступает при температуре под большим давлением в сопло 6, откуда со сверхзвуковой скоростью эта смесь попадает в большой объем 7, где происходит быстрое расширение, а следовательно, и быстрое охлаждение газа. При этом охлажденный газ оказывается в области резонатора Фабри-Перо, образованного зеркалами 8 и 9, где происходит индуцированное девозбуждение молекул и лазерная генерация.

Такие газодинамические лазеры в настоящее время позволяют получать непрерывную мощность порядка 500 кВт.

5. Плазменные методы получения инверсной населенности основаны на том, что в холодной плазме (в отличие от горячей газоразрядной плазмы) электроны имеют малые скорости и поэтому интенсивно рекомбинируют с ионами в объеме. При этом они занимают верхние незаполненные уровни энергии атома и таким образом образуют возбужденные на верхнем уровне атомы, создавая по отношению к более нижним уровням возбуждения атомов инверсную населенность. Если и - концентрация ионов и возбужденных на верхние и на нижние уровни атомов, то уравнения кинетики процессов будут:

где вероятность у иона в единицу времени рекомбинировать с электроном путем посадки его на верхний уровень, - вероятность спонтанного очищения нижнего уровня в единицу времени; и - соответствующие вероятности спонтанного и индуцированных переходов. Из стационарных вариантов уравнений (26.) с учетом (4.) имеем выражение типа (9.):

Из (27) следует, что для увеличения необходимо увеличивать, т.е. как можно быстрее очищать нижний уровень. Проблема очищения нижнего рабочего уровня является одной из основных проблем в плазменных и в газоразрядных методах получения инверсной населенности. Существует четыре основных механизма такого очищения:

• 1. за счет спонтанного перехода на более нижний (или основной) уровень энергии (радиационное очищение);
• 2. за счет передачи энергии возбуждения нижнего уровня охлажденным свободным электронам плазмы путем столкновения с ними;
• 3. за счет неупругих столкновений со специально добавленными примесными атомами газа, причем энергия возбуждения нижнего уровня может идти либо на резонансную передачу возбуждения соседнему атому примеси, либо на его ионизацию, либо на увеличение кинетической энергии его движения (удар второго рода). Добавляя необходимое количество удачно найденных примесных атомов, можно существенно увеличить и;
• 4. химическое, когда специально добавленные примесные атомы активно вступают в химическую реакцию с атомами, находящимися именно на нижних уровнях возбуждения, образуя новые молекулы и таким образом уменьшая в объеме плазмы.

По способам реализации плазменные (рекомбинационные) лазеры разделяются на импульсные, электронно-пучковые, с ядерной накачкой, плазмодинамические и плазмохимические. В импульсных лазерах генерация осуществляется после окончания прохождения мощного импульсного разряда в газе, состоящем из смеси рабочего и буферного газа, причем последний служит так же и для быстрого охлаждения электронов в то время послесвечения разряда, когда осуществляется лазерная генерация. (Примером могут служить лазеры на ионизированных парах щелочно-земельных металлов:). В электронно-пучковых лазерах и лазерах с ядерной накачкой в холодный рабочий газ извне вводится либо пучок быстрых ионизирующих газ электронов, либо ионизирующие газ осколки ядерных реакций, получаемые из стационарных ядерных реакторов или при специально созданных ядерных взрывах (именно таким последним способом пытаются реализовать лазер, генерирующий рентгеновские лучи).

В плазмодинамических лазерах генерация осуществляется в участках охлаждения свободно движущейся плазменной струи, предварительно образованной с помощью газового разряда, в проходящей через участок разряда струе газа или образованной каким либо другим способом. При этом струя может быстро охлаждаться за счет расширения, плотность ее может увеличиваться путем сжатия в продольном магнитном поле, либо внешнем, либо реализуемом за счет пинч-эффекта и др.

Плазмохимические лазеры характеризуются различными химическими способами очищения нижнего рабочего уровня.

4. Уравнения кинетики изменения населенности уровней в многоуровневых квантовых системах и условия инверсной населенности

Анализ условий получения инверсной населенности в многоуровневых системах и кинетику процессов этого получения можно проводить с различной степенью приближения. Ниже будут рассмотрены три различных подхода к этому анализу.

1. Анализ, основанный на учете только двух рабочих уровней многоуровневой системы. Такая схема, показанная на рис. 10, уже использовалась при анализе плазменных методов получения инверсной населенности, и если в уравнениях (26.) заменить (скорость внешней накачки уровня 2), то эти уравнения будут описывать кинетику процессов в рассматриваемом приближении, причем стационарный вариант решения этих уравнений дает выражение (27.), являющейся аналогом общего соотношения (9.), и имеющее вид

из которого следует, что стационарную инверсную населенность рабочих уровней нельзя получить при. Такой рабочий переход, у которого, называется самозапирающимся. Примером такого перехода может служить лазер на парах меди. Получить инверсную населенность в таком лазере можно лишь в начальной стадии переходного процесса, соответствующей переднему фронту импульса тока разряда. Проанализируем этот переходный процесс на основе уравнений (26.), в которых мы положим (отсутствует внешний сигнал). При этом из первого уравнения при начальных условиях

; получается

что после подстановки во второе уравнение (26.) и интегрирования при начальных условиях

Дает выражение

определяющее процесс изменения. Из (29.) следует, что, поэтому ход функции при различных соотношениях между и будет таким, как показано на рис 11, причём из уравнений (26) при можно получить, что этот ход описывается соотношением и имеет максимум при

Из рис.11 следует, что в самозапирающемся переходе в течение начального периода действительно существует неравенство. Так как из стационарного варианта уравнений (36) следует

то, вычитая второе уравнение (36) из первого и подставив из этого приближённого (для нестационарного режима) равенства, можно получить уравнение

приближённо описывающее кинетику процесса в случае и при. Это уравнение часто используется для приближённого анализа переходных процессов в лазерных системах.

• 2. Анализ трёхуровневой системы с верхним рабочим переходом при учёте спонтанного заполнения верхних уровней. Такое заполнение необходимо учитыывать в случае парамагнитных мазеров, когда тепловые спонтанные переходы существенно влияют на поведение системы, особенно при температурах, отличных от криогенных. Рассматриваемая схема соответствует рис.6,а,в и в случае накачки квантами света уравнения кинетики изменения населённостей (концентрации соответствующих атомов) , и уровней 1,2 и 3 имеют вид

причём так, как результирующая концентрация активных атомов

• (В (31) и в (32) величины - вероятности спонтанных переходов в единицу времени с i-го уровня на j-й, a -соответствующие вероятности индуцированных переходов).

Если из (34), (31) и (32) найти, то, вычитая из (34) все члены (32), можно для разности получить уравнение, определяющее dy/dt . Если все члены этого уравнения продифференцировать по времени, подставив

можно после определения из (34), (3l) и (32) и подстановки вместо его значения из уравнения для dy/dt , получить окончательное уравнение, определяющее в общем случае зависимость y= f(t)

Из соотношений (З5) - (41) можно получить стационарное значение, причём входящие в эти соотношения параметры имеют четкий физический смысл. Так, в отсутствие накачки, когда, получается выражение

из которого следует, что

есть значение в отсутствие сигнала и накачки. Сравнение (42) с (3)-(5) показывает, что - есть время спонтанной релаксации (время жизни возбуждения) сигнального перехода 32 в отсутствие накачки. Можно показать, что есть аналогичное время релаксации перехода накачки 31 в отсутствие сигнала, когда. Из (33) и (39) можно получить соотношение

определяющее населенность уровня 1 при.

Стационарное значение можно представить в виде, аналогичном выражению (9):

из которого следует, что в общем случае инверсию населенности (т.е.) можно получить лишь при, когда (), и при наличии достаточно большой накачки, такой, что

Сравнивая выражения

(42) и (44), (45), можно убедиться, что эффективное время релаксации возбуждения уровней сигнального перехода

уменьшается с ростом накачки при, . Из (44) следует, что инверсия населенности уровней сигнального перехода () пропорциональна величине

оценить которую можно полагая, что в отсутствие внешнего воздействия населенности, подчиняются закону Больцмана:

Откуда следует, что для мазеров, у которых мало

по сравнению с кT при комнатных температурах (при = 10 ГГц и при T = 300 К), для увеличения () необходимо уменьшать Т. Поэтому мазеры могут работать нормально лишь при криогенных температурах. Физически это объясняется тем, что тепловое движение забрасывает частицы на более высокие уровни, уравнивая концентрации частиц на различных уровнях и уменьшая тем самым В лазерах, где энергетический интервал достаточно велик, необходимость в понижении температуры обычно отсутствует.

Анализ, трехуровневых и четырехуровневых систем без учета спонтанного заполнения верхних уровней. Для мазеров при криогенных температурах и для лазеров при комнатных температурах с хорошей степенью приближения можно пренебречь спонтанными переходами на верхние уровни, т.е. считать при, так что, как это следует из (37)-(41), (43), (46), рассмотренные параметры имеют значения

так что стационарная разность населенностей тоже получается в форме выражения (9)

Из выражения (52) видно, что при, когда рабочий переход 32 становится самозапирающимся. Несложные расчёты параметра

основе (50), (5l) показывают, что

при изменении в широких пределах.

В усилительных системах (особенно в мазерах) сигнал обычно мал и можно полагать, так что из (52) следует выражение

которое показывает, что при, когда, инверсия населённости уровней сигнального перехода 32 наступает при сколь угодно малой накачке. Мы увидим, что для случая рабочего перехода 12 это не так. При очень большой накачке () населенности уровней 1 и 3 выравниваются (, что будет показано ниже) и из (55) следует, что параметр двухуровневый многоуровневый уравнение кинетика

определяет наибольшую относительную инверсную населенность, которая имеет место при, . Кроме того, т.к. в этом случае

то соотношения

определяют населенности уровней в трехуровневой системе при отсутствии сигнала и при очень большой накачке.

Рассмотрим трехуровневую систему с рабочим переходом 2I , типичным случаем использования которой является лазер на рубине. В этом случае при для, когда справедлива схема рис.6,б уравнения кинетики, подобные (31) и (32), будут иметь вид

и их стационарный вариант дает после замены решение в форме соотношения (9):

по-прежнему определяется из (50) и (51). Из (60) и (61) следует, что инверсия населенности в данном случае, может иметь место лишь при, когда, и при столь большой, накачке, что

(в отличие от случая использования перехода 32 в качестве рабочего). Для случая отсутствия сигнала () можно из (61) и (55) получить, что

так, что при, о чем упоминалось выше.

Таким образом, при использовании перехода 32 при обычно инверсия населенности получается при меньшей накачке, чем при использовании перехода 12 для.

Рассмотрим четырехуровневую квантовую систему с рабочим переходом 32 в качестве сигнального (см. рис. 7, б). Такая система реализуется в лазере на стекле, активированном неодимом, в жидкостных лазерах на красителях и др. Уравнения кинетики изменения населённостей квантовых уровней имеют в этом случае вид

Из стационарного вариант () этих уравнений следует, что инверсная разность населенностей рабочего перехода, записанная в форме (9), имеет значение:

Из (66) следует, что в этой системе, так же как и в трехуровневой системе с рабочим переходом 32, инверсная населенность наступает при сколь угодно малой накачке (), но лишь в случае выполнения неравенства

В случае если это неравенство нарушено, переход 32 в четырехуровневой системе будет самозапирающимся и система способна работать лишь в начальные периоды импульсного возбуждения.

Рассмотрение в разделах 2-4 стационарных режимов различных типов квантовых систем показывает, что все они имеют один и тот же тип нелинейности, определяющий зависимость коэффициента усиления от интенсивности I поля световой волны в соответствии с общими и одинаковыми выражениями (8), (9), (11), (14), (20), (22), (27), (28), (44), (60), (65).

Это позволяет строить теорию различных типов квантовых автогенераторов по единому плану, анализировать поведение и проводить оптимизацию их параметров по общей для всех этих приборов схеме.

Принцип минимума потенциальной энергии:

Любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна. Такое состояние является энергетически выгодным и наиболее устойчивым.

В соответствии с этим принципом, количество атомов активного вещества лазера, находящихся на нижнем энергетическом уровне, всегда больше, чем количество возбужденных атомов. При отключенной системе накачки населенность нижнего энергетического уровня максимальна, а наверху, на возбужденном уровне, атомов вообще нет или их крайне мало.

При включении накачки положение начинает меняться: часть атомов переходит в категорию «возбужденные». Чем больше мощность накачки, тем больше становится населенность верхнего уровня и меньше – нижнего.

Чем больше становится возбужденных атомов, тем больше вероятность переходов обратного направления, за счет спонтанного и индуцированного излучения. Но фотонные лавины возникать еще не могут.

Мы обсуждаем двухуровневую систему накачки: система накачивает атомы энергией, переводя их в возбужденное состояние, а они, спонтанно или через индуцированное излучение, соскакивают обратно, вниз.

Теория и практика показали, что максимум достижимого при работе двухуровневой системы накачки – динамическое равновесие при достижении численного равенства населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней.

Но для работы лазера этого мало! «Наверху» атомов должно быть больше, чем «внизу».

Инверсная населенность - состояние активного вещества, при котором атомов, находящихся на возбужденном энергетическом уровне, больше , чем на нижнем, основном уровне .

Преодолеть ограниченные возможности двухуровневой системы накачки удалось с помощью системы трехуровневой. Появились и системы, имеющие большее число уровней.

Естественной для атомов является длительность их пребывания в возбужденном состоянии порядка τ 1 = 10 -8 с. Преодолеть такую быстроту возврата возбужденных атомов в устойчивое основное состояние удалось благодаря тому, что в квантовых системах могут существовать метастабильные состояния, с временем жизни τ , много большим, чем τ 1 = 10 -8 с. Метастабильное состояние (от греч. μετα «через» и лат. stabilis «устойчивый») – состояние квазиустойчивого равновесия, в котором система может находиться длительное время.

Длительность метастабильного состояния возбужденных атомов может достигать  2 = 10 -3 с. Обратите внимание: τ 2 > τ 1 в 100000 раз; и за такое время вполне удается создавать инверсную населенность, «перехитрив» принцип минимума потенциальной энергии. На рис. 3 представлена схема энергетических уровней трехуровневой системы накачки.

Рис. 3 Схема трехуровневой системы накачки.

Трехуровневая система накачки переводит атомы активного вещества на уровни Е 2 и Е 3 . При этом активное вещество имеет в окрестностях уровня Е 3 множество близко расположенных энергетических уровней с коротким временем жизни возбужденного состояния τ 3 . На схеме они не показаны; Е 3 – среднее значение их энергии.

Кванты, близкие к Е 3 , имеют повышенную вероятность быть поглощенными: любой квант энергии системы накачки на каком-нибудь из этих многих уровней пригодится, будет поглощен. Суммарный эффект: система накачки эффективно работает на повышение населенности энергетического уровня Е 3 благодаря тому, что он «широк по вертикали» за счет семейства близких уровней.

На схеме рис. 3 наклонной стрелкой показан переход с уровня Е 3 на уровень Е 2 , что символизирует безизлучательный переход возбужденных атомов на уровень Е 2 , благо обстановка позволяет: вместо большого перепада Е 3 – Е 2 имеется нечто в роде лесенки близких уровней.

Вклад «узкого» уровня Е 2 в создание своей же инверсной населенности есть, но он – гораздо скромнее.