Принципы усиления электромагнитного поля в квантовых системах

Поскольку вынужденное излучение возбужденных микрочастицпри переходахс верхнего энергетического уровня на нижний коге­рентно(совпадает по частоте, фазе, поляризации и направлению рас­пространения)с вынуждающим, то появляется возможность исполь-'•ованиявынужденных переходов для усиления электромагнитногополя.Чтобы оценить возможность такого усиления, рассмотрим об­мен энергиимежду полем и веществом.

E₂,N₂

излучения

Пусть вещество имеет два энергетических уровня £, и £, _{с Нд} селенностями N_x и JV₂ (рис. 11.5), а частота внешнего поля р_авна частоте квантового перехода v₂₁.

При объемной плотности энергии p_v число вынужденных ц_ер_е. ходов в единицу времени в единице объема с выделением энерг_Ии равно (см. 11.8):

n_2l = Bp_v-N₂, (11.14)

а выделяемая при этих переходах энергия в единице объема в едини- цу времени, т.е. мощность:

/вид = "и "(К.)= ■В■ р_v -N₂(Av₂₁). CI 1 -13>

Аналогично число вынужденных переходов с поглощением энергии и поглощаемая от внешнего поля мощность в единице объе­ма соответственно:

n_a = B-p_v-N_l (11.16)

Люта = "а ■ (/'^v2>)= ^В ■ Pv • Ъ ( Л у_я). (11.17)

С учетом (11.15) и (11.17) изменение мощности электромаг­нитного поля

р = Лшд - Люгл = В • p_v • (Av₂₁)- (ЛГ₂ - NX (11.18)

Эта мощность называется мощностью взаимодействия. Если Р > 0, т.е. выделяемая мощность превышает поглощаемую, то в системе происходит усиление электромагнитного поля.

При Р< 0 преобладает поглощение энергии, и энергия внешне­го поля убывает.

Таким образом, условием усиления (Р > 0) из (11.18) будет:

Среда, в которой имеется состояние с инверсией населенностей зовней. называется активной средой, так как в ней возможно усиле­ние электромагнитного поля.

Для того чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нем электромагнитную волну, необходимо перевести его в возбужденное _с0стояние, в котором хотя бы для двух уровней населенность верхне­го оказалась выше, чем нижнего (в состояние с инверсией населенно­стей)- Перевод в такое возбужденное состояние осуществляется под действием мощного вспомогательного излучения - накачки. Наи­меньший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.

В

Для создания и поддержания в активной среде инверсии насе­ленностей применяются специальные методы, зависящие от структу­ры активной среды. Так в лазерах на кристалле рубина инверсия на­селенностей осуществляется посредством оптической накачки по так называемой трехуровневой системе (предложена в 1955 г. Басовым Н. Г. II Прохоровым А. М.). В энергетическом спектре атомов хрома в кри­сталле рубина наряду с узкими уровнями £, (основное состояние) и £', (возбужденное метастабильное состояние) имеется расположен­ная выше уровня £, сравнительно широкая полоса энергетических состояний £₃ (полоса поглощения), играющая роль третьего уровня (рис. 11.6).

Полоса поглощения

ft

Метастабильный уровень

(11.19)

(аГ₂-Л0>° или ~r^>l

.V,

В состоянии термодинамического равновесия между средой и веществом населенность верхнего уровня меньше, чем нижнего (NS < ДГ,) в соответствии с законом Больцмана (11.10). Поэтому вещество

в этом состоянии поглощает энергию внешнего поля (Г < 0). ^ Соотношение N₂ > Л', является инверсным (обратным) по о

ношению к состоянию термодинамического равновесия или ^соСТ°^ нием с инверсией населенностей уровней. Поэтому в состоянии с версией населенностей уровней возможно усиление электром^агН ного поля.

:' Лазерный переход — Основной уровень

Рис. 11.6. Треху ровневая система оптической накачки лазера

ei

Под действием оптической накачки атомы хрома переходят из ^Ос"вного состояния £| в состояние Е₃ до насыщения, когда "■^еленности всех этих уровней становятся одинаковыми (N_l = А^г₃).

^атомы

Через очень короткий промежуток времени («10"⁸с) безызлучательно переходят в состояние Е_г.

Время жизни атомов в метастабильном состоянии существенно выше, чем в состоянии £₃ («КГ* с). При достаточно быстром переводе атомов из основного состояния в состояние £ (при высокой мощности источника накачки) плотность числа частиц на уровне Е_г окажется выше, чем на уровне, Е_{ то есть возникнет ин­версия населенностей уровней £, и £,, при переходе между которы­ми осуществляется лазерная генерация.

Существуют активные среды, работающие по четырехуровневой схеме (рис. 11.7). В энергетических спектрах таких сред между мета- стабильным £₃ и основным £, уровнями имеется промежуточный рабочий уровень £->, который расположен настолько выше основно­го. что в условиях термодинамического равновесия его населенность незначительна.

F. 4

Ез

El

Лазерная генерация осуществляется при переходе £₃ —> £,. Ма­лая населенность уровня £₂ облегчает создание инверсии населенпо- стей. что является основным преимуществом активных сред, рабо­тающих по четырехуровневой схеме. По четырехуровневой схеме ра­ботает большинство лазеров на твердых активных средах и многие лазеры на газовых средах.

Полоса поглощения

Метастабильный уровень

/Лазерный переход у Промежуточный рабочий уровень

ходят спонтанные переходы электронов с верхних энергетических уровней на нижние, т.е. происходит излучение квантов. Если резона­тор настроен на частоту этого излучения, то оно. многократно отра­жаясь от стенок резонатора, успевает вызвать индуцированное излу­чение еще нескольких частиц, которое в свою очередь, воздействуя на активную среду, вызывает новые акты индуцированного излуче­ния- В результате собственное спонтанное излучение усиливается за счет вынужденных переходов.

При этом, однако, энергия излучения в резонаторе не может на­растать беспредельно: каждый акт излучения сопровождается пере­ходом частицы на более низкий энергетический уровень, что приво­дит к выравниванию населенностей и, следовательно, к равенству по­глощения и вынужденного излучения.

Значение энергии накачки много больше энергии лазерного из­лучения. но оно высоко когерентно с малой расходимостью, высоко- монохроматично и с высокой направленностью.

Инверсную населенность можно создавать различными спосо­бами:

1) с помощью оптической накачки, т.е. путем возбуждения ато­мов вещества квантами света от мощного излучателя;

2) путем использования эффектов сильного электрического гголя, т.е. лавинного размножения носителей заряда или туннелирования

екгронов при их переходе с энергетических уровней, расположен­ных вблизи потолка валентной зоны, на энергетические уровни вбли­зи дна зоны проводимости:

2) путем электронного возбуждения при бомбардировки веще­ства пучком быстрых электронов;

3) с помощью инжекции носителей заряда при прямом включе­нии р-я-перехода. что используют в инжекционных лазерах;

4) с помогцью химической накачки, вызываемой химическими Реакциями в лазерном веществе (активной среде).

Основной уровень

Рис. 11.7. Четырехуровневая система оптической накачки лазера

Генерация электромагнитных волн осуществляется с помошьк активной среды, помещенной в резонатор (для лазеров - в °^птиЧе ский), посредством которого реализуется необходимая для генерал положительная обратная связь. В активной среде неизбежно про'

Е1

170

Дата добавления: 2015-11-26