Лекция 12. Приборы когерентного излучения. 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 пропускать через эту системy 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 озерным усилением.

λ = 1,24/(Е₂-Е₁)

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. 12.1). Такой процесс 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. 12.1). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти временно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, be денное 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 лазер уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии зонами — лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными переходами (из состояния Е₂ в состояние Е₁ - переходы 4, 5 на рис. 12.1) существуют спонтанные переходы из Е₂ в Е₁ (1-3 на рис. 12.1), а также переходы из Е₁, в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход б на рис. 12.1).

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

N_лаз = В₂₁Q_вынN₂∆t,
где В₂₁ - вероятность лазерного перехода; Q_вын - энергия вынуждающего излучения, N₂ - концентрация атомов в энергетическом состоянии Е₂.

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

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

Полагая в первом приближении равенство вероятностей В_2\ = В₁₂ = В, получаем уст лазерного усиления в виде

B{N₂-N_l)Q_вын-A₂₁N₂>0.
При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления можно записать как

BQ_BblH(N₂-N_x)>0 uли ∆N=(N₂-N_l)>0.

Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных переходов больше, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного перехода 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 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 I, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана

При этом ∆N= N₂ - N₁ = N₁ [exp(-(Е₂-Е₁)/ kt)-1]отрицательна, и в веществе имеем нормальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации возбужденных. 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..