4.2. Схемы накачки активной среды лазеров

В системе, состоящей из двухуровневых частиц, оптическая накачка не приводит к инверсной населенности. Даже при бесконечно большой накачке населенности энергетических уровней лишь выравниваются, то есть среда просветляется в результате насыщения поглощения.

Для получения инверсии с помощью оптической накачки необходима среда, содержащая не менее трех энергетических уровней. При этом к вероятностям переходов и свойствам среды предъявляются вполне определенные и достаточно жесткие требования. Именно поэтому эффективно генерирующих активных сред, работающих этой схеме, сравнительно мало.

Рис.4.1. Трехуровневая схема накачки активной среды лазера.

По трехуровневой схеме накачки работал первый лазер на рубине. В исходном состоянии активные частицы (в случае рубина ионы хрома) находятся в основном состоянии 1. Излучение накачки переводит частицы в возбужденное состояние 3. С этого уровня частицы с большей вероятностью релаксируют в долгоживущее состояние 2, чем возвращаются в исходное состоянии за счет переходов 3 - 1. Переходы из метастабильного состояния 2 запрещены. Именно поэтому это состояние существует длительное время ( в рубине ~ 3 мс). Время жизни состояний с разрешенными переходами составляет обычно ~ 10^-8 с. Таким образом, в результате оптической накачки населенность состояния 2 возрастает и при достаточно высокой мощности накачки большая часть ионов хрома может быть переведена в возбужденное состояние2. Уровни 1 и 2 окажутся инверсно заселенными и на резонансной частоте этого перехода в среде возникает усиление света.

Практически возможность получения усиления в трехуровневом веществе связана с тем, что возбужденное состояние 3 должно обладать широкими спектральными полосами поглощения. Только при этом накачка газоразрядной лампой будет эффективной, так как значительная часть белого света, испущенного лампой накачки будет поглощаться активной средой и преобразовываться в энергию возбужденных атомов, накапливающихся на лазерном уровне 2. В случае узкой спектральной полосы поглощения на уровень 3 в трехуровневой среде эффективной может быть только накачка узкополосным лазерным излучением от вспомогательного лазера или светодиода.

Таким образом, возможность получения усиления в рубине при использовании в качестве источника накачки лампы-вспышки была связана с тем, что рубин обладает широкими спектральными полосами поглощения в сине-зеленой области спектра. При этом вероятность переходов 3 – 2 значительно, на несколько порядков превосходит вероятность прямых обратных переходов 3 – 1.

Недостаток трехуровневой активной среды заключается в том, что для получения усиления в возбужденное состояние необходимо перевести больше половины активных частиц, содержащихся в среде. Для этого требуется высокая мощность накачки. Более эффективной оказывается четырехуровневая схема накачки. В лазере, работающем по такой схеме, усиление возникает в идеальном случае при уровне накачки близком к нулю.

Рис. 4.2. Четырехуровневая схема накачки активной среды лазера.

3. Порог генерации. Пороговые условия генерации

   Непрерывная лазерная генерация начинается при достижении определенной мощности накачки. В лазерах с импульсной накачкой генерация возникает при превышении определенной энергии импульса накачки. Эту мощность или энергию называют пороговыми.

Возбуждение активной среды с целью создания инверсной населенности и получения усиления на рабочем переходе требует затрат энергии. Поэтому в лазерах работающих как с непрерывной накачкой, так и с импульсной переход от люминесценции к генерации требует определенного времени. В лазерах до выхода на режим стационарной или квазистационарной генерации происходит переходный процесс установления генерации.

О возникновении генерации судят по внезапному появлению лазерного луча – яркой точки на экране. Порог генерации можно обнаружить также с помощью спектрографа по появлению узкой спектральной линии генерации на фоне широкой полосы люминесценции. Причем, спектральная плотность излучения этой линии на много порядков превосходит люминесценцию. Переход от люминесценции к генерации резкий, пороговый процесс, а не плавный переход.

Лазер, работающий с импульсной накачкой, характеризуется вполне определенной воспроизводимой величиной пороговой энергии накачки.

Для расчетов пороговых значений коэффициента усиления лазерной активной среды можно уверенно пользоваться вероятностным методом расчета характеристик лазеров. При проведении таких расчетов можно не учитывать сложных процессов взаимодействия лазерного излучения с активной средой, так как в пороге мощность лазера сопоставима с мощностью люминесценции. Наиболее последовательно вероятностный метод расчета лазеров был развит в трудах белорусской школы физиков, возглавляемой Б.И. Степановым.

При мощности или энергии накачки, равной пороговой, мощность генерации можно считать бесконечно малой. Поэтому расчеты порога генерации могут быть основаны на теории люминесценции, в которой не учитываются эффекты насыщения усиления и когерентные эффекты взаимодействия излучения с активной средой. В этих случаях, как правило, можно пользоваться вероятностным методом расчета оптических свойств вещества. В этом методе используют понятия: населенности энергетических уровней активной среды (энергии которых предполагают заданными) и вероятности переходов между этими уровнями. Задача сводится к нахождению стационарных значений населенностей уровней и, связанных с ними коэффициентов поглощения и усиления активной среды, мощности люминесценции или стационарной генерации при заданной мощности накачки. Расчеты проводят для единицы объема активной среды.

Для активной среды, содержащей частицы с тремя уровнями энергии, используемой в лазере, обычно выполняются условия:

• вероятность перехода частиц с уровня 3 на уровень 2 значительно превышает вероятность их перехода с уровня 2 в основное состояние р₃₂ >> p₂₁, а также обратного перехода 3 – 1. Только при выполнении этих условий на уровне 2 будут накапливаться активные частицы и в канале 2 – 1 возможно создание усиления.

• р₂₃ = 0.

• Квантовый выход люминесценции близок к 1.

• Все уровни энергии не вырождены

Решение уравнений баланса частиц при их переходах между тремя энергетическими уровнями позволяет получить выражение для коэффициента усиления при непрерывной накачке:

.

Здесь - коэффициент поглощения среды на частоте лазерного перехода, n – концентрация активных частиц, v - скорость света в среде.

Из преведенной формулы следует, что при бесконечно большой накачке коэффициент усиления среды стремиться к своему максимальному значению, численно равному коэффициенту поглощения χ.

В пороге генерации коэффициент усиления равен коэффициенту потерь лазера. Поэтому приведенное выражение определяет пороговое значение объемной плотности непрерывной накачки U₃₁ [Дж/(сек м³)]. Для получения усиления скорость накачки должна значительно превышать вероятность дезактивации возбужденного состояния среды - р₂₁. Поэтому в качестве источников оптической накачки лазеров необходимо использовать мощные газоразрядные лампы, которые способны обеспечить достаточно большие вероятности перходов в канале накачки.