2.2.2. Электрическая накачка

Электрическая накачка является одним из эффективных способов создания инверсий населенностей в активных средах, в особенности для газовых сред и полупроводников. Инверсия населенностей в газовой среде создается пропусканием через нее постоянного, СВЧ или импульсного электрического разряда.

Конструктивно организация электрического разряда в газовой среде выполняется двумя способами: 1) ток через газ протекает вдоль оси лазера (продольный разряд); 2) ток протекает в поперечном направлении оси лазера (поперечный разряд). В зависимости от режима работы (непрерывный или импульсный) лазера применяются различные конструкции электродов, которые позволяют получить более однородное и стабильное распределение накачки.

Воздействие внешнего электрического поля на газовую среду приводит к образованию в ней ионов и свободных электронов с дополнительной кинетической энергией. Причем положительно заряженные ионы благодаря своей огромной массе движутся медленнее, чем свободные электроны. Следовательно, свободные электроны гораздо чаще сталкиваются с нейтральными атомами, при этом передают им свою дополнительную энергию, переводя их в возбужденное состояние.

При возбуждении атомов способом электрической накачки возможны следующие процессы.

1. В газе, состоящем из одного сорта частиц, возбуждение осуществляется лишь электронным ударом согласно формуле

		e + A → A* + e,							(2.11)
где А и А* –	молекула в нормальном и возбужденном состоянии, соответ-
ственно; е –	свободный электрон.
Такой процесс, называется столкновением первого рода.
Процесс передачи энергии при столкновения первого рода описыва-
ется скоростным уравнением:
		dN2	= N		N	vσ		,	(2.12)
				g			e
		dt			e

где Ne – плотность электронов; Ng – число частиц в основном состоянии; v – скорость электронов; σе – сечение возбуждения электронным ударом.

34

2. В смеси газа, состоящей из двух компонент, при электрическом возбуждении осуществляется процесс резонансной передачи энергии. На рис. 2.7 показана схема такого процесса, называемого столкновением второго рода.

∆Е	В*
А*

ЕА ЕВ

В А

Рис. 2.7. Околорезонансная передача энергии: ЕА – энергия перехода между основными и верхним уровнями для молекулы А; ЕВ – энергия перехода для молекулы В; Е – разность энергий перехода ЕА и ЕВ

Предположим, что частица B находится в основном состоянии, а частица А – в возбужденном благодаря электронному удару. Примем также, что разность энергий (∆Е) между переходами A → A* и В → В* меньше, чем kT. Тогда можно утверждать, что выполняется переход

A* + В ↔ A + В* ± ∆Е.

(2.13)

Таким образом, после столкновения частицы А окажутся в основном состоянии, а частицы В – в возбужденном состоянии. Разность энергии (∆Е) в зависимости от своего знака либо добавляется, либо вычитается от энергии поступательного движения.

Скоростное уравнение для столкновения второго рода описывается уравнением:

dN	= N		N	vσ		,	(2.14)
		A			AB
dt			B

где NA и NB – число частиц компонентов А и В в смеси газа соответственно.

35