Тема 1.2. Создание инверсной населенности

В естественных условиях для термодинамически равновесных систем населенность энергетических уровней подчиняется известному распределению Больцмана, т. е. уровни с меньшей энергией населены больше, чем уровни с большей энергией ,т. е. . При этом одновременно с усилением света за счет индуцированных квантовых переходов, сопровождающихся излучением фотонов, происходит подавляющее ослабление излучения за счет вынужденного резонансного поглощения.

Отсюда следует, что для усиления света веществом необходимо искусственно изменить населенности уровней в веществе, а именно: увеличить населенность верхнего уровня и уменьшить населенность нижнего . Такое активное состояние вещества называется состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.

Основная трудность в получении инверсной населенности состоит в том, что антибольцмановское распределение частиц по энергиям является сильно неравновесным и его невозможно достичь обычными способами передачи энергии.

Действительно, рассматривая отношение населенностей верхнего уровня к нижнему (на каждом из них число частиц связано с температурой и энергией уравнением Больцмана), получаем

(1.25)

Отсюда

. (1.26)

Поскольку для состояния инверсной населенности и , то

.

Получение такого антибольцмановского распределения не противоречит, однако, третьему началу термодинамики (согласно которому невозможно достигнуть температуры, равной абсолютному нулю, а тем более низшей) потому, что утверждение это относится к термодинамической температуре, а температура, определенная для населенностей уровней, имеет совершенно другой характер. Она называется статистической температурой или температурой перехода.

Для реальных тел можно определить много статистических температур – столько, сколькими способами можно связать в пары его энергетические уровни.

Все они равны друг другу и термодинамической температуре тогда и только тогда, когда вещество находится в термодинамически равновесном состоянии, характеризующемся распределением Больцмана.

Инверсия населенностей уровней является существеннейшим условием появления лазерного излучения. Она гарантирует, что среди частиц существует больше излучателей, чем поглотителей, в результате чего вынужденное излучение доминирует над спонтанным излучением и процессами поглощения. Есть два возможных способа создания инверсии.

Один из них — заселение верхнего уровня путем возбуждения дополнительных атомов или молекул до верхнего уровня. Другой способ заключается в уменьшении населенности нижнего лазерного уровня, участвующего в генерации. На самом деле, для получения устойчивого лазерного воздействия необходимо использовать оба пути: увеличение населенности верхнего уровня и уменьшение населенности нижнего.

Важным фактором, необходимым для получения лазерной генерации, является наличие и время жизни такого метастабильного состояния, как верхний лазерный уровень. Для вынужденного излучения возбужденное состояние должно существовать порядка от нескольких микросекунд до миллисекунды или около того. При этом возбужденные частицы должны оставаться на возбужденном верхнем лазерном уровне в течение более длительного времени для того, чтобы позволить продолжаться взаимодействию между фотонами и возбужденными частицами, которое необходимо для эффективного вынужденного излучения.

Если верхний лазерный уровень просуществует несколько наносекунд, большинство возбужденных частиц перейдет на нижний уровень за счет спонтанного излучения. Суть в том, что для достижения эффективного лазерного действия наращивание населенности верхнего лазерного уровня должно происходить быстрее, чем его распад. Таким образом, чем дольше просуществует верхний лазерный уровень, тем легче достичь нужного результата.

Вопросы к практическому занятию 1.2:

1. Чем определяется естественная ширина спектральной линии?

2. Объясннть понятие «двухуровневая лазерная схема».

3. Объясннть понятие «трехуровневая лазерная схема».

4. Объясннть понятие «четырехуровневая лазерная схема».

5. В чем преимущество четырехуровневой схемы генерации перед трехуровневой?

6. Что такое коэффициент усиления слабого сигнала?

7. Что означает применительно к лазеру термин «положительная обратная связь»?