Физические основы усиления и генерации лазерного излучения

Лазер - генератор излучения, когерентного во времени и пространстве, основанный на ис­пользовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находя­щийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энер­гетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пpoпускать через эту систе­му излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужден­ного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее. Предваритель­но за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Е_и часть электро­нов с нижних равновесных уровней E₁ переходит на более высокие уровни, а затем оказыва­ется на уровне возбуждения Е₂ (рис. 4.6).

Возвращение этих электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁, сопровождается испусканием фотонов с длиной волны

(4.2)

где λ - выражается в мкм; Е - в эВ.

Процесс перехода электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁, может проходить по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается, лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1-3 на рис. 4.6). Такой процесс пере хода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения.

Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных переходов из энергетического состояния Е₂ в Е₁ (переходы 4, 5 на рис. 4.6). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынужденное излучение - когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии, используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазерными уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или зонами - лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными переходами (из состояния Е₂ в состояние Е₁ - переходы 4, 5 на рис. 4.6) существуют спонтанные переходы из Е₂ в Е₁, (1-3 на рис. 4.6), а также переходы из Е₁ в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6 на рис. 4.6).

Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излу­чения. Количество лазерных переходов за время ∆t можно в первом приближении выразить в виде

(4.3)

где - вероятность лазерного пeрехода; Q_вын - энергия вынуждающего излучения N₂ - концентрация атомов в энергетическом состоянии Е₂.

Спонтанные переходы из Е₂ в Е₁ происходят самопроизвольно (т.е. от вынуждающего излучения не зависят и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде

(4.4)

где А₂₁-вероятность спонтанного перехода E₂→ E₁.

Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающегo излучения, определяется выражением

(4.5)

где B_I2 - вероятность квантового перехода с поглощением излучения; N₁ - концентрация атомов в энергетическом состоянии Е₁.

Полагая в первом приближении равенство вероятностей В₂₁ = В₁₂ = В, получаем условие лазерного усиления в виде

(4.6)

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления можно записать как или

В равновесном состоянии системы всегда N₂ > N_I и лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носите­лей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.

Таким образом, лазерное усиление о6ьясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе при обретает энергию за счет лазерных перехо­дов больше, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного пере­хода В₂₁ и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют по­лучить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы в изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.

Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов в единице обьема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энер­гетических уровней подчиняется статистике Больцмана

(4.7)

где N₂ - населенность возбужденными атомами (в состоянии Е₂); N₁ - населенность невоз­бужденными атомами (в состоянии Е₁).

При этом отрицательна, и в вещеcтвe имеем нор­мальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазер­ное усиление невозможно.

Когда ∆N> 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей, и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов.

Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется актив­ной средой.

Таким образом, усиление вынужденного излучения, или лазерное усиление, требует, во-первых, инверсии населенностей (N₂ N₁) и, во-вторых, подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется ус­ловие инверсии, называется порогом инверсии.

Поиск по сайту: