Методы создания инверсии населенности

На первый взгляд инверсию населенности можно создать в среде с двумя энергетическими уровнями Е₁ и Е₂>Е_1. Например, это можно попытаться сделать путём облучения среды фотонами с частотой . Т.к. в нормальных условиях N₂<N₁(2.9), то поглощение будет преобладать над вынужденным излучением (2.4 и 2.6). Под действием облучения происходит больше переходов Е₁ => Е₂, чем Е₂ => Е₁.

Однако, когда населенности окажутся равными N₂=N_1, процессы вынужденного излучения и поглощения будут компенсировать друг друга и инверсию создать будет невозможно.

Поэтому для лазеров применяют среды, в которых частицы могут занимать не два, а три или четыре уровня

Рис. Рис.

С случае трехуровневой системы (рис. ) уровень Е₂ должен быть метастабильными, т.е. время жизни частицы на этом уровне намного превышает время жизни на других уровнях возбуждённого состояния. Это означает, что W₂₁<<W₃₂. Поэтому частицы будут быстро переходит на уровень Е₂, а там задерживается и скапливается. В результате может возникнуть инверсия населенностей N₂>N₁, которая используется для генерации лазерного излучения за счёт перехода Е₂ => Е₁. Причём переход Е₃ => Е₂ происходит без излучения с передачей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Пример такой среды – рубин с примесью ионов хрома.

В случае четырехуровневой системы метастабильным является уровень Е₂, при этом W₂₁<<W₃₂ и W₂₁<<W₁₀. При возбуждении частицы переходят с Е₀ на Е₃, затем быстро переходят с Е₃ на Е₂ без излучения и скапливаются на уровне Е₂. Возникает инверсия населенности N₂>N₁, которая используется для генерации лазерного излучения - за счёт перехода с Е₂ на Е₁. Затем происходит быстрый переход с Е₁ на Е₀ без излучения. В четырехуровневой системе создать инверсию населенностей проще, т.к. уровень Е₁ первоначально заселен очень мало и уже при незначительном переводе частиц на уровень Е₂ создается инверсия населенностей. Пример – стекло с неодимом, а также газовая активная среда, применяемая в газовых СО₂- лазерах. Создание инверсии населенностей в активной среде называется процессом накачки (или просто накачкой).

Оптические резонаторы

Как видно из сказанного выше обязательным элементом ОКГ является оптический резонатор. Оптический резонатор, как правило, имеет два плоских или сферических зеркала квадратной или чаще круглой формы. Эти зеркала расположены на расстоянии L, которое колеблется от нескольких см до нескольких десятков см. Размеры зеркал лежат в пределах от долей см до нескольких см.

Одно из зеркал для выхода полезного излучения делается полупрозрачными. Усиление потока излучения в активной среде при лазерном излучении зависит не только от состояния среды, но также от параметров резонатора и прежде всего расстояние L. Наибольшее усиление достигается при выполнении условия резонанса. Это условие заключается в следующем. Расстояние должно быть таким, чтобы при многократном отражении фотонов, т.е. электромагнитных волн, от поверхности зеркал в промежутке между зеркалами возникала пространственная конфигурация стоячих электромагнитных волн. Эта конфигурация стоячих волн называется модой резонатора. При этом частота электромагнитных колебаний моды должна быть равна частоте излучения лазера .

Типы оптических резонаторов.

Рис.

а) Плоскопараллельный резонатор. Этот резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке.

Достоинства: такой резонатор прост в изготовлении и обеспечивает наименьшую расходимость луча. Для выполнения условия резонанса длина резонатора L должна быть равной целому числу полуволны n, т.е. , где - длина волны.

Тогда резонансные частоты определяются по формуле , n-целое положительное число.

б) Концентрический (или сферический) резонатор. Резонатор состоит из двух сферических зеркал, имеющих одинаковые радиусы r. Зеркала расположены на расстоянии L=2r, т.е. центры кривизны зеркал совпадают.

Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Условие резонанса выражается теми же соотношениями, что и в предыдущем случае.

в) Полуконцентрический (полусферический) резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского полупрозрачного зеркала. Зеркала расположены на расстоянии L=r. Ход лучей в резонаторе показан на рисунке. Не критичен к расстоянию между зеркалами.

г) Конфокальный резонатор. Резонатор состоит из двух зеркал радиусом r. Расположенных таким образом, что фокусы зеркал F₁ и F₂ совпадают. При этом получается, что L=r, т.е. центр кривизны одного зеркала лежит на поверхности другого. Ход лучей показан на рисунке.

Такой резонатор обеспечивает наименьшие потери в активной среде.

д) Полуконфокальный резонатор. Резонатор состоит из сферического зеркала радиусом r и плоского зеркала. Расстояние между зеркалами удовлетворяет условию L=r/2. Ход лучей показан на рисунке.

е,ж,з) Резонаторы с выпуклыми сферическими зеркалами (с отрицательными радиусами кривизны). Резонатор содержит два выпуклых зеркала или одно выпуклое и одно плоское зеркала или одно выпуклое и одно вогнутое. Оба зеркала выполняются зеркалами полного отражения, а полезное излучение получают за счёт выхода его из области резонатора. Применяют обычно в лазерах очень высокой мощности (P>1кВт), где трудно применить полупрозрачные зеркала для получения полезного излучения.

Все резонаторы с произвольным значением r_1,r₂ и L занимают промежуточное положение по отношению к рассмотренным.

Часто используют резонаторы образованные двумя вогнутыми сферическими зеркалами одинакового радиуса r, либо одним вогнутым и одним плоским. Расстояние между зеркалами выбирается в пределах r<L<2r. Такой резонатор занимает промежуточное положение между конфокальным и сферическим резонаторами. Выполняют также резонаторы у которых L<r.