2. 16. Способы создания инверсии населенностей

Процесс возбуждения активной среды с целью получения инверсии населенностей называют накачкой, а источник возбуждения - источником накачки.

Существуют различные способы накачки. Назовем некоторые из них:

• оптическая накачка. Происходит за счет поглощения вспомогательного излучения (применяется в рубиновом лазере);

• электрическая накачкав высокочастотном газовом разряде (гелий-неоновый лазер);

• инжекция носителей заряда в область p–n – перехода(инжекционные полупроводниковые лазеры).

Практически накачка осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной Басовым и Прохоровым (1955г).

Рассмотрим накачку на примере гелий-неонового лазера (рис.2.22). Активной средой в нем является плазма высокочастотного газового разряда в смеси гелия (He) и неона (Ne). Парциальные давления гелия и неона составляют соответственно1мми0,1 ммртутного столба.

Процесс 1. Атомы гелия за счет соударения с электронами переходят из основного энергетического состоянияE₁в возбужденное состояниеE₃.

Состояние Е₃является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет величинуτ  10^-3с. За это время возбужденные атомыHeпри столкновениях с атомамиNeпередают им свою энергию(Процесс 2).В результате создается инверсная населенность энергетического уровняЕ₃атомаNe:N_E3 >N_E2 (2.105)

Переход атомов неона с уровня Е₃сопровождается вынужденным излучением(Процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.

2.17. Положительная обратная связь. Резонатор

Чтобы увеличить эффект усиления света и обеспечить режим генерации, активная среда помещается в резонатор. Резонатор представляет собой два зеркала, установленных параллельно друг другу (рис.2.23).

Процесс генерации света заключается в следующем.

Фотон, испущенный при переходеE₃ E₂ и движущийся параллельно оси резонатора вызывает вынужденные переходы и рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (рис.2.).

Часть потока фотонов пройдет через полупрозрачное зеркало 2, часть отразится в нём и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться. Затем отразится от первого зеркала и т. д. При каждом проходе интенсивность света увеличивается, пока не будет достигнут установившийся режим. Фотоны, летящие под углом к оси резонатора, выходят из активной среды и в усилении не участвуют.

4

0. 2.18. Принципиальная схема лазера

4

Перечислим условия, необходимые для создания и работы оптических квантовых генераторов.

• Необходимо рабочее вещество с инверсией населенностей (активная среда).

• Необходима положительная обратная связь (резонатор).

• Усиление света при прохождении через активную среду должно компенсировать потери фотонов при отражении в зеркалах.

• Необходимо, чтобы фаза волны, возвратившейся в некоторую точку после отражения от зеркал, совпадала бы с фазой первичной волны, т.е. должно выполняться условие: 2L = mλ. (2.106)

Здесь L – расстояние между зеркалами;λ – длина волны излучения;m– целое число.

Таким образом, общая схема любого лазера имеет вид, представленный на рис.2.23.

Лазеры применяются во многих областях науки, техники и даже медицины. Отметим некоторые их применения.

В лазерном пучке может достигаться плотность мощности порядка 10¹² ÷10¹⁶Вт/cм². Это свойство используется для прожигания отверстий в различных труднообрабатываемых материалах. В микроэлектронике с помощью лазера производят сварку различных соединений для микросхем, напыляют полупроводниковые слои и т. д.