2.3. Возбуждение активного вещества (накачка)

Наиболее распространенными методами накачки являются:

1. Накачка вспомогательным излучением (оптическая накачка)- наиболее универсальный и широко используемый метод накачки твердотельных лазеров на диэлектриках, жидкостных лазеров, может применяться в полупроводниковых и газовых лазерах. Сущность метода – активное вещество облучается мощным электромагнитным излучением. Оно выбирается так, чтобы поглощалось активным веществом, переводя активные центры в возбужденное состояние. В качестве источников накачки могут служит обычные лампы накаливания, мощные ксеноновые лампы-вспышки, ртутные лампы, полупроводниковые светодиоды и др.

2. Накачка с помощью газового разряда.

Применяется в газоразрядных лазерах, где возбуждение активных атомов и молекул осуществляется за счет неупругих столкновений, приводящих к обмену энергией частиц в облаке газового разряда.

3. Сортировка частиц.

Метод используется в пучковых мазерах и основан на разделении молекул, находящихся в основном и возбужденном состояниях, так чтобы в рабочий объем попадали только возбужденные молекулы. Невозбужденные молекулы выводятся из рабочего пучка. Метод основан на том, что возбужденные и невозбужденные молекулы по-разному реагируют на внешние электрические и магнитные поля.

4. Инжекция неосновных носителей заряда через переход. Применяется в полупроводниковых инжекционных лазерах. Позволяет непосредственно преобразовать электрическую энергию источника в когерентное электромагнитное излучение.

5. Возбуждение частицами высоких энергий. Метод применяется в полупроводниковых лазерах с электронной накачкой, а также может применяться в других типах лазеров. Пучок предварительных ускоренных электронов направлен на рабочую мишень активного вещества, вызывая возбуждение и ионизацию активных центров.

6. Химическая накачка. Метод применяется в газовых лазерах. Используется ряд химических реакций, протекающих между газообразными веществами, в результате которого конечный продукт оказывается в возбужденном состоянии.

7. Газодинамическая накачка. Метод применяется в газовых лазерах. Рабочий газ, нагретый до высокой температуры, резко охлаждается. Переходя в равновесное состояние, молекулы газа задерживаются в метастабильных состояниях, в результате чего может быть достигнута инверсия населенностей.

Элементарные процессы, приводящие к образованию инверсии на рабочих уровнях, определяются переходами между рядом энергетических состояний. Разумно учесть только те переходы, которые вносят наиболее существенный вклад в изменение населенности рабочих уровней при накачке. Более того, при анализе условий возникновения инверсии группу уровней можно рассматривать как один эквивалентный уровень (или полосу) с эффективным временем жизни τ_м. Таким образом, можно говорить о двух- трех- и четырехуровневой схеме возбуждения активного вещества в зависимости от количества принципиально необходимых энергетических уровней, участвующих в создании инверсии населенностей.

2.4. Двухуровневая схема

Рассмотрим двухуровневую систему с энергиями уровней и, где- основной уровень. Пусть уровни являются невырожденными, т.е.

Будем осуществлять оптическую накачку на частоте переходов за счет поглощения фотонов. Плотность излучения накачки. Кинетические уравнения, описывающие изменение атомов на уровнях в стационарном режиме, будут иметь вид:

. 1)

Учитывая, что , находим населенность уровней:

, . (2)

На рис. 2.4 представлено изменение населенностей уровней в зависимости от плотности излучения накачки . В отсутствии накачки, т.е. все частицы находятся в основном состоянии. С ростом интенсивности накачки происходит перераспределение частиц по уровням.

Рис. 2.4. Двухуровневая схема (а) и зависимость относительной населенности уровней от интенсивности накачки (б).

Если взять два уровня с различными статическими весами и, то получим, что в пределечисло частиц на верхнем уровне, а на нижнем уровне. Хотя при>число частицможет быть больше, населенность верхнего уровнябудет всегда меньше населенности нижнего уровня, т.е. инверсии населенностей и усиления не будет достигнуто.

Таким образом, по двухуровневой схеме квантовые усилители и генераторы с оптической накачкой работать не могут.

В двухуровневой схеме инверсию населенностей можно достичь, используя метод сортировки частиц. Именно этот метод привел к созданию первого квантового генератора – мазера на пучке молекул аммиака.