2.2. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов

Рассмотрим прохождение плоской электромагнитной волны с частотой через среду, в единице объема которой содержитсяатомов в энергетическом состояниииатомов - в состоянии. Пусть>и в пределах спектральной линии. Определим изменение интенсивности волныпри прохождении через слой вещества толщиной(рис. 2.1).

Число квантов света, поглощенных в этом слое за счет переходов , будет равно. Число квантов света, испущенных за счет индуцированных переходов, будет равно. Здесьи- дифференциальные коэффициенты Эйнштейна, функцияопределяет форму спектральной линии.

Рис. 2.1. Прохождение плоской электромагнитной волны через слой вещества.

Сечение слоя в плоскости, перпендикулярной оси z, для простоты примем за единицу. Так как спонтанное излучение ненаправленно, его вкладом в изменении интенсивности можно пренебречь.

Тогда с учетом того, что , получим

. (1)

Величина - скорость света в среде с показателем преломленияn.

Из (1) получаем окончательно, учитывая связь между коэффициентами Эйнштейна

. (2)

Следовательно, если населенность нижнего уровня больше населенности верхнего уровня, то изменение интенсивности электромагнитной волны при прохождении через слой вещества толщинойбудет отрицательным, т.е. волна будет ослабляться. Наоборот, если>, тои волна будет усиливаться.

Состояние вещества, при котором населенность верхнего энергетического уровня превышает населенность нижнего уровня, называется инверсией населенности.

Если статические веса уровней равны , то условием инверсии будет>.Инверсия населенности является необходимым, но не достаточным условием для получения усиления в среде. Достаточным условием будет превышение усиления, достигнутого за счет вынужденного испускания, над всеми возможными потерями.

Если частота перехода лежит в оптическом диапазоне, то соответственно усилитель называется лазерным, если в СВЧ - диапазоне - мазерным.

Обозначим через

. (3)

Тогда (2) можно переписать в виде

, (4)

откуда получаем известный закон Бугера- Ламберта

. (5)

Поскольку отрицательное поглощение есть усиление, то отрицательный коэффициент поглощения называют коэффициентом квантового усиления и обозначают

. (6)

Если населенности уровней равны, то . Этот случай называетсяпросветлением среды. Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей, называют лазерной (мазерной) активной средой. Соответствующий рабочий элемент усилителя называют активным элементом. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населенностей, называются рабочими лазерными уровнями энергии.

Процесс возбуждения активной среды с целью получения инверсии населенностей называется накачкой, а источник этого возбуждения – источником накачки.

Рис. 2.2. Общая схема квантового усилителя

Если в активном элементе усилителя создана большая степень инверсии и показатель усилениявелик, то по достижении критического значенияусилитель может превратиться в генератор. Вдоль оси активного элемента будет генерироваться так называемое усиленное спонтанное излучение (рис. 2.2). Но легче всего усилитель превратить в генератор, вводя положительную обратную связь. Для этого часть усиленной мощности с выхода передают на вход, осуществляя положительную обратную связь. В лазерах эту функцию выполняют оптические резонаторы: активный элемент располагают между двумя строго параллельными друг другу зеркалами (рис. 2.3). Плоская волна, распространенная перпендикулярно зеркалам резонатора, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом последующем прохождении через активную среду. Одно из зеркал делают полупрозрачным для выхода лазерного излучения. Изменяя коэффициент отражения этого зеркала, можно изменить величину обратной связи.

Рис. 2.3. Общая схема лазера.