3.2.4 Схемы накачки

Рассмотрим задачу о том, каким образом в данной среде можно получить инверсию населенностей. На первый взгляд может показаться, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты ν, определяемой выражением (3.1). Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов , чем переходов , и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N₂ = N₁), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (3.7) среда станет прозрачной (для электромагнитной волны частоты ν). В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? Мы увидим, что в этом случае ответ будет утвердительным, и можно будет соответственно говорить о трех- и четырехуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровней (рис. 3.5). В трехуровневом лазере (рис. 3.5, а) атомы каким-либо способом (о способах накачки речь пойдет ниже) переводятся с основного уровня 1 на уровень 3.

Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на метастабильный уровень 2, на котором время его жизни достаточно велико, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1.

В четырехуровневом лазере (рис. 3.5, б) атомы также переводятся с основного уровня на уровень 4, время жизни на котором у них очень мало. Если после этого атомы совершают быстрый переход на метастабильный уровень 3, то между уровнями 3 и 2 может быть получена инверсия населенностей.

а б

Рисунок 3.5 –  Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера.

Когда в таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 3 на уровень 2. Поэтому для непрерывной работы четырехуровневого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уровне 2, очень быстро переходили (релаксировали) на основной уровень 1.

Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для получения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или по четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще!), зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос: зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей? Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 3.5) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана (см., например, формулу (3.8)), почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии. Если обозначить число атомов в единице объема среды как N_f, то практически все эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень 3 в трехуровневой системе. Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов N_f, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов.

Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 2 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии (сначала на уровне 4 , а после быстрой релаксации на уровне 3), будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, конечно, использование и большего числа энергетических уровней.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня 1 на уровень 4 (в четырехуровневой схеме), называется накачкой.

Следует заметить, что если верхний уровень накачки пуст, то скорость, с которой верхний лазерный уровень (уровень 2 в трехуровневой схеме или уровень 3 в четырехуровневой схеме) станет заселяться с помощью накачки (dN_лаз/dt)_p, в общем случае можно записать в виде

(3.12)

где N₁ – населенность основного уровня 1, a W_P – коэффициент, который называют скоростью накачки. Для того чтобы достигнуть пороговых условий, скорость накачки должна превысить некоторое пороговое или критическое значение W_кр.

Практически имеется несколько способов, с помощью которых можно производить накачку. Способы создания инверсной заселенности активных частиц зависят не только от конкретной схемы уровней и свойств этих частиц, но и свойств других компонент активной среды, называемых рабочим телом лазера. В качестве рабочих тел современных технологических лазеров с успехом используют газовые смеси, а также различные конденсированные среды: кристаллы, стекла, полупроводники и жидкости. Наибольшее распространение в лазерных системах получили оптический, газоразрядный методы накачки, реже - газодинамический и химический.

При использовании оптического метода накачки рабочее тело подвергается воздействию потока света, излучаемого импульсной или непрерывнодействующей газоразрядной лампой. Свет лампы поглощается системой возбуждения полос или уровней активных частиц рабочего тела, после чего эта энергия возбуждения передается путем безызлучательных переходов на верхний лазерный уровень. Существенным недостатком этого метода является несоответствие спектра излучения источника и спектра поглощения активного элемента, что приводит к снижению эффективности преобразования тепловой энергии в энергию возбуждения среды. Оптическую накачку широко применяют для возбуждения активной среды твердотельных (например, рубинового или неодимового) или жидкостных (например лазера на красителях) лазеров.

В случае применения газоразрядного метода возбуждения излучения активные частицы рабочей среды лазера подвергаются воздействию поддерживаемого в нем электрического разряда. Заселение уровня осуществляется в результате столкновения частиц среды между собой и с электронами газового разряда. Этот вид накачки применяется в газовых и полупроводниковых лазерах.