Методы создания инверсной разности населенности (способы накачки активной среды). Инверсия населённостей Основное условие усиления света веществом инверсия населенности
Для создания лазера необходимо получить инверсию между какой-либо парой уровней в активной среде. Механизм, с помощью которого создается инверсия, называется накачкой. Из полученных в предыдущем разделе выводов следует невозможность создания инверсной населенности в двухуровневой системе посредством воздействия на нее внешнего электромагнитного излучения. В самом деле, из-за насыщения инверсная населенность никогда не будет большей нуля. Тем не менее, задача становится разрешимой, если ввести в рассмотрение дополнительно один или два уровня – так называемые трех- и четырехуровневые схемы накачки. В настоящем разделе мы рассмотрим механизм создания инверсной населенности для обеих схем, используя скоростные уравнения, которые выводятся из условий баланса между скоростями изменения полного числа частиц и полного числа фотонов лазерного излучения. Использование такого подхода дает простое и наглядное описание работы лазера.
Трехуровневая схема
Вначале рассмотрим лазер, работающий по трехуровневой схеме (рис. на слайде). Пусть N 1 ,N 2 ,N 3 – населенности соответствующих уровней,N 0 – полное число частиц. В качестве характеристики интенсивности поля в резонаторе введем величинуq – полное число фотонов в резонаторе. Будем считать, что переходы между уровнями 3 и 2 осуществляются достаточно быстро для того, чтобы можно было положить. Запишем скоростные уравнения для изменения населенностей и числа фотонов:
В уравнении (4.2) первое слагаемое определяет вклад накачки, скорость которой составляет W н (с -1), в изменение населенности уровня 2. Второе слагаемое отражает изменение населенности этого уровня за счет процессов вынужденного излучения и поглощения (для простоты мы положили степени вырождения рассматриваемых уровней одинаковыми).
В
уравнении (4.3) первое слагаемое с точностью
до знака и коэффициента V
совпадает
со вторым слагаемым во втором уравнении.
Действительно, каждый акт вынужденного
излучения сопровождается появлением
фотона, а при вынужденном поглощении
фотон поглощается. КоэффициентV
называется объемом поля (объемом моды)
внутри активной среды. По своей сути
этот параметр отражает тот факт, что
электромагнитное поле занимает в
резонаторе не весь объем активной среды.
Подробно этот вопрос будет рассмотрен
в разделе, посвященном оптическим
резонаторам. Время
называется временем жизни фотона в
резонаторе и учитывает уменьшение числа
фотонов из-за потерь (например, связанных
с пропусканием зеркал).
Наконец,
остается отметить, что при написании
(4.3) мы пренебрегли слагаемым, учитывающим
спонтанное излучение. Действительно,
если в нулевой момент времени положить
q
(0)=0, то получим, что
,
и генерация возникнуть не сможет. Однако
мы в настоящий момент не можем правильно
учесть вклад спонтанного излучения,
поскольку для этого необходимо иметь
представление о возможных типах
конфигурации поля в резонаторе
(пространственной и частотной), что
возможно сделать только при подробном
рассмотрении свойств оптических
резонаторов. Тем не менее, при решении
системы (4.1)-(4.3) мы получим правильный
результат, если предположим, что в момент
времениt
=0 в резонаторе присутствует
небольшое число спонтанных фотонов:q
(0)=q
0 .
Прежде
чем приступить к дальнейшему рассмотрению
системы уравнений (4.1)-(4.3), получим явный
вид для коэффициентов B и
.
Рассмотрим
резонатор длиной L
. Для простоты
будем считать, что активная среда
занимает все пространство между
зеркалами. ПустьТ
1 иТ
2 – коэффициенты пропускания зеркал
резонатора,Т
вн – коэффициент
внутренних потерь за проход от одного
зеркала до другого. Тогда изменение
интенсивности
за двойной проход составит:
где N =N 2 -N 1 .
Для дальнейшего рассмотрения удобным оказывается введение логарифмических потерь, связанных с пропусканием зеркал:
Тогда для всех видов потерь имеем:
(4.6а)
(4.6б)
(4.6в)
С помощью полученных выражений определим полные потери за проход:
.
(4.7)
Если
уровени потерь на пропускание и внутренних
потерь достаточно малы (несколько
процентов), то можно считать
.
Имеем после подстановки:
Если ввести дополнительное условие:
<<1,
(4.9)
то экспоненциальную функцию можно разложить в ряд и получить:
.
(4.10)
Если
разделить получившееся выражение на
интервал времени
,
соответствующий времени двойного
прохода, и использовать приближение
,
получим:
.
(4.11)
Поскольку число фотонов в резонаторе пропорционально интенсивности, то полученное выражение можно сравнить с (4.3). При этом получаются следующие выражения для искомых величин:
.
(4.12)
Если теперь для общего случая считать, что длина активной среды l между зеркалами меньше длины резонатораL , а показатель преломления активной среды равенn , то с учетом соотношения, получаемого для так называемой оптической длины резонатораL ’:
,
(4.13)
окончательно получаем:
.
(4.14)
Если
ввести инверсию населенностей
,
то с учетом предположений о скоростях
переходов между уровнями, сделанных в
начале раздела, легко переписать систему
(4.1)-(4.3) для переменных
иq
:
Начальными
условиями для этой системы будут уже
полученное нами соотношение
,
а также
.
Рассмотрим
вначале вопрос о величине пороговой
инверсной населенности. Для возникновения
генерации необходимо, чтобы величина
была положительной. Из (4.16) видно, что
это условие выполняется, когда
>
.
Отсюда пороговое значение инверсной
населенности:
.
(4.17)
Минимальная
мощность накачки, необходимая для
создания пороговой инверсной населенности,
получается из (4.15) при условиях:
,
,q
=0. Это означает, что, с одной стороны,
фотонов в резонаторе еще нет (кроме
небольшого количества спонтанныхq
0),
а с другой стороны, скорость накачки
уровня 2 начинает уравновешивать скорость
спонтанных переходов с этого уровня.
Сделав подстановку (4.17) в (4.15), получаем:
.
(4.18)
Если
мощность накачки больше пороговой, то
число фотонов будет возрастать, и при
постоянной мощности накачки оно достигнет
некоторого стационарного значения, не
меняющегося во времени. Стационарные
значения числа фотонов и инверсной
населенности естественным образом
получаются из системы (4.15)-(4.16), если в
ней положить
.
Таким образом:
,
(4.19)
.
(4.20)
Если
ввести коэффициент
,
то:
.
(4.21)
Проанализируем полученный результат. На первый взгляд может показаться странным, что независимо от мощности накачки в стационарных условиях инверсная населенность всегда равна пороговому значению. Однако, ясно, что в стационарном режиме число фотонов (и интенсивность поля) в резонаторе не меняется. Очевидно, что это условие может выполняться только при равенстве усиления сумме всех потерь. При любом другом соотношении между усилением и потерями интенсивность будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Поскольку усиление пропорционально величине инверсной населенности, то соотношение (4.19) как раз и устанавливает равенство усиления активной среды совокупным потерям, на которое мощность накачки не оказывает никакого влияния.
В
то же время, число фотонов в резонаторе,
а следовательно, и выходная мощность
излучения лазера прямо пропорциональна
мощности накачки (если, например, выходным
считать зеркало 2, то
).
После подстановки окончательно получаем:
.
(4.22)
Четырехуровневая схема
Проведем
теперь аналогичный расчет для случая
четырехуровневой схемы накачки (рисунок
на слайде). Полагая, что переходы между
уровнями 3 и 2 и уровнями 1 и 0 являются
быстрыми, то есть
,
получаем следующую систему скоростных
уравнений:
После
сведения этой системы к системе из двух
уравнений в переменных
:
Можно заметить, что полученное скоростное уравнение для числа фотонов совпадает с аналогичным уравнением в случае трехуровневой системы. Однако скоростные уравнения для инверсной населенности отличаются множителем 2 во втором слагаемом, имеющимся в случае четырехуровневой схемы. Физический смысл этого отличия заключается в том, что в трехуровневой схеме накачки при излучении фотона с уровня 2 населенность этого уровня уменьшается на единицу, а населенность уровня 1 увеличивается на единицу. Поэтому инверсия уменьшается на 2. В четырехуровневой схеме населенность 2-го уровня тоже уменьшается на единицу, но из-за быстрой релаксации с уровня 1 на уровень 0 населенность 1-го уровня не меняется, то есть инверсия уменьшается на 1.
Величины пороговой и стационарной инверсной населенности получаются такими же, как и в случае трехуровневой схемы:
,
(4.28)
что является следствием того, что эта величина определяется уровнем суммарных потерь в резонаторе.
Для пороговой мощности накачки получаем:
.
(4.29)
Сравнение
с (4.18) показывает, что для четырехуровневой
схемы пороговая мощность накачки в
1
раз меньше по сравнению с трехуровневой
схемой при одном и том же значении
.
Этот результат также объясняется
достаточно наглядно. В трехуровневой
схеме для создания инверсной населенности
необходимо перевести с уровня 1 на
уровень 2 по крайней мере половину
частиц. В случае же четырехуровневой
схемы перевод на уровень 2 даже одной
частицы создает инверсную населенность,
поскольку населенность уровня 1 всегда
практически равна нулю. Это является
основным преимуществом четырехуровневой
схемы.
Для стационарного числа фотонов в резонаторе получается следующее выражение:
,
(4.30)
а для выходной мощности:
.
(4.31)
Рассмотренные нами механизмы создания инверсной населенности называются оптической накачкой. При оптической накачке в качестве источника излучения используются, как правило, мощные широкополосные лампы. Поскольку эффективность накачки тем больше, чем больше излучения источника поглотится активной средой, то лучше всего оптическая накачка подходит для веществ, имеющих сильно уширенные линии, то есть для твердотельных и жидкостных лазеров.
Кроме оптической накачки, существует множество других способов создания инверсной населенности. Одним из наиболее широко распространенных способов является электрическая накачка, которая осуществляется посредством электрического разряда. Этот механизм особенно эффективен для веществ с узкой линией поглощения. Поэтому электрическая накачка является основным методом создания инверсии в газовых лазерах.
Среди других механизмов накачки отметим химическую накачку (необходимая для возникновения инверсии выделяется при экзотермической реакции), газодинамическую накачку (сверхзвуковое расширение газовой смеси), а также лазерную накачку, когда лазерный луч одного лазера служит для накачки другого.
К этим методам, имеющим широкое применение, относятся последние пять групп методов, упомянутых в 1. Рассмотрим их по порядку.
1. Метод внешней накачки или внешнего возбуждения многоуровневой системы. В настоящее время этот метод получил самое большое распространение в квантовых приборах как в мазерах, так и в твердотельных и жидкостных лазерах. Он применяется частично и в газовых лазерах. Обычно в нем используются трехуровневые переходы или, как говорят, трехуровневые системы. Суть метода заключается в следующем. Представим три уровня (рис. 6,а), один из которых (нижний) соответствует нормальному невозбужденному положению электрона, а два верхних - уровни возбуждения. Предположим, что необходимо усилить колебания, т.е. рабочим переходом является переход 3-2. Чтобы создать инверсную населенность уровней 3,2, среду облучают извне квантами энергии, которые переводят частицы с уровня 1 на уровень Эти кванты или, как их называют, кванты накачки и создают повышенную населенность уровней 3 по сравнению с уровнями 2, и поэтому, когда приходит сигнал (кванты), этот сигнал усиливается за счет индуцированных переходов 3-2. Перейдя после акта усиления на уровень 2, частица затем за счет спонтанного квантового перехода попадает обратно на уровень 1 (волнистая стрелка на рис. 6,а). В дальнейшем спонтанные переходы будем обозначать волнистыми стрелками, а индуцированные переходы - прямыми. Примером квантовых приборов, в которых используется упомянутый метод, могут служить парамагнитные мазеры, которые могут работать только при сверхнизких температурах (4,2 К) и в которых энергетические уровни 1,2,3 появляются за счёт расщепления из - за эффекта Зеемана одного уровня во внешнем постоянном магнитном поле, а также ряд атомарных молекулярных и ионных газовых лазеров на парах металлов.
Кроме показанного способа может также использоваться способ, где в качестве рабочего перехода служит переход 2-1, когда квантами накачки по-прежнему являются кванты, а сигнальными квантами являются кванты (см. рис. 6,б). Примером лазера, работающего по схеме рис. 6,б может служить лазер на рубине. В квантовых приборах часто используются различные типы внешней накачки четырехуровневых систем (рис. 7,а,б,в,г). При этом могут использоваться обычные прямые или одноквантовые методы, иллюстрируемые схемами рис. 7 а,б, в которых рабочим переходом является либо переход 4-3, либо переход 3-2. (Лазеры на алюминиево-иттриевом гранате, на стекле с примесью неодима). Кроме того, в четырехуровневых системах могут использоваться методы двойной (или как их еще называют, последовательной или двухквантовой) накачки, которые возможно осуществить в тех случаях, когда какие-нибудь два энергетические расстояния между уровнями системы одинаковы. Мы рассмотрим два таких метода, используемых в парамагнитных мазерах:
1) Метод удвоения частоты вспомогательного излучения.
Реализация этого метода ясна из схемы рис. 7,в и возможна в том случае, когда
причем кванты являются квантами накачки, а кванты
квантами сигнала;
2) Метод симметричного возбуждения или, как его иначе называют, метод пушпульной накачки. Схема его показана на рис. 7,г. Этот метод двойной накачки реализуется в рубине при угле между осью симметрии кристалла и внешним полем, равным. В этом методе сигнальными квантами являются кванты, а квантами накачки - кванты. Метод возможен, очевидно, в том случае, когда, что имеет место в рубине при угле двойной накачки.
Методы двойной накачки обычно позволяют получить значительно большую степень инверсии населенности уровней, чем методы обычной накачки. В твердотельных мазерах в качестве парамагнитных веществ чаще всего используется рубин, рутил или или вольфраматы (соли типа, где), а в твердотельных лазерах, кроме рубина, часто используют стекло, активированное неодимом, а также иттрий-алюминиевый гранат.
Четырехуровневые системы получили в последнее время большое распространение в жидкостных лазерах. Жидкостные лазеры в настоящее время имеют две разновидности - жидкостные лазеры на основе неорганических жидких сред и на органических красителях. Первая группа представляет собой лазеры, использующие растворы солей редкоземельного элемента неодима в неорганических жидкостях. Их можно считать аналогами твердотельных лазеров, использующих стекло с примесью неодима.
Вторая группа использует молекулы органических красителей. Энергетическая структура такой молекулы содержит большое число колебательно-вращательных подуровней, которые присутствуют как в основном состоянии молекулы, так и в возбужденном. Под влиянием квантов внешней накачки, в качестве которых может использоваться излучение либо лампы-вспышки, либо другого квантового генератора, молекулы переходят с уровня 1 основного состояния на верхний уровень 4 возбужденного состояния. Затем путем безызлучательного перехода молекула попадает на нижний уровень 3 возбужденного состояния, излучает рабочий квант, попадая на верхний уровень 2 основного состояния, и затем с помощью безызлучательного перехода вновь оказывается на уровне основного состояния. Таким образом, работа жидкостных лазеров на основе молекул органических красителей осуществляется по четырехуровневой системе. Большим достоинством таких лазеров является возможность получения с их помощью различных длин генерируемых волн от ультрафиолетовых до ближних инфракрасных. Для этого надо использовать различные типы красителей.
Необходимо отметить, что до сих пор при рассмотрении квантовых переходов в многоуровневых системах были указаны только полезные квантовые переходы, т.е. только те переходы, которые непосредственно определяют работу квантовых приборов. Однако кроме них есть еще ряд бесполезных индуцированных переходов, которые всегда сопровождают упомянутые полезные переходы, но в большинстве случаев бывают обратными по отношению к полезным переходам и также довольно существенно влияют на населенность уровней и, следовательно, на работу квантовых приборов. Полная схема всех переходов в трехуровневой системе (см. рис. 7, а) имеет вид, показанный на рис. 6, в, причем двойными стрелками показаны полезные переходы; а одинарными - бесполезные. Показанные в этой схеме спонтанные переходы на верхние уровни с более нижних обычно осуществляются в твердых телах за счет тепловых колебаний решетки, рассматриваемых здесь как случайный фактор, и имеют, как правило, сравнительно малую вероятность.
2. Метод возбуждения многоуровневой системы акустическими (ультразвуковыми или гиперзвуковыми) колебаниями. В принципиальном отношении этот метод ничем не отличается от предыдущего, только в нем или один или оба полезных индуцированных перехода осуществляются за счет воздействия акустических (обычно ультразвуковых или гиперзвуковых) колебаний, а не за счет электромагнитных колебаний, как в предыдущем случае. Иными словами, в этом методе рабочими квантами, или квантами накачки, являются не фотоны, а фононы.
Очевидно, что для реализации этого метода квантовая система, во-первых, должна хорошо пропускать ультразвук или гиперзвук, а во-вторых, должна быть помещена внутри соответствующего ультра- или гиперзвукового акустического резонатора. При этом может быть три типа квантовых систем, использующих квантовые переходы за счет фононов, т.е. может быть три типа систем, называемых акустическими мазерами:
- 1) Системы с фононным возбуждением, служащие для получения усиления ультра- или гиперзвука. В этих системах накачка и сигнал представляют собой ультра- или гиперзвуковые колебания, передающиеся извне посредством соответствующих пьезоэлектрических вибраторов, преобразующих в эти колебания обычную электромагнитную энергию;
- 2) Системы с электромагнитным возбуждением, служащие для усиления или генерации ультра- или гиперзвуковых колебаний. В этих системах накачка осуществляется фотонами, а сигнал представляет собой поток фононов, причем, очевидно, что такая система, если она резонансная, должна быть помещена как внутри электромагнитного резонатора (по накачке), так и внутри акустического резонатора (по сигналу).
Именно эти два типа систем часто и называют акустическими мазерами;
3)Системы с возбуждением ультра- или гиперзвуковыми колебаниями, служащие для усиления или генерации электромагнитных колебаний. Такая система, являющаяся как бы обратной по отношению к предыдущей системе, часто называется обратным акустическим мазером. Она как раз и представляет собой интересующую нас многоуровневую систему, возбуждаемую фононами.
Так как фононы, подобно фотонам, являются квантами энергии, то все те общие соображения, которые в прошлом обсуждались по поводу квантовых переходов, связанных с воздействием фотонов, относятся так же и к случаю воздействия фононов.
Метод получения инверсии населенности уровней за счет газоразрядного возбуждения. Этот метод, используемый в лазерах, несмотря на его очень широкое распространение, до сих пор изучен в деталях значительно слабее, чем все предыдущие методы. Суть его заключается в том,
что атомы, ионы или молекулы в газовом разряде обычно под влиянием разного рода столкновений получаются возбужденными по трехуровневой или четырехуровневой системам. Детали схемы возбуждения могут быть в разных системах и для разных уровней самыми различными, причем система может быть вообще многоуровневая. По характеру используемой среды и частично по особенностям механизма образования инверсной населенности газоразрядные лазеры можно разделить на атомарные, ионные и молекулярные. Атомарные ОКГ, за исключением неон-гелиевого лазера, работающего в диапазоне видимого света, дают генерацию в инфракрасном диапазоне длин волн. Ионные ОКГ, использующие переходы между уровнями энергии ионизированных газов, таких как аргон, пары кадмия, селена, ртути и др., дают генерацию в основном в области видимого света и являются основными источниками излучения синего и зеленого цветов и ультрафиолетовых линий. Молекулярные ОКГ могут давать более широкий спектр излучения, от инфракрасных до ультрафиолетовых линий. Однако среди ряда различных возможных типов возбуждения атомов или молекул в газовом разряде можно выделить некоторые основные механизмы возбуждений, которые выполняют главную роль в тех или иных газоразрядных лазерных системах. Мы рассмотрим три таких типа возбуждений: 1) за счет столкновений; 2) за счет диссоциации молекулы; 3) электроионизационное и фотоионизационное.
Возбуждения за счет столкновений можно, в свою очередь, разделить на две группы:
а) возбуждение атомов или молекул газа при неупругих соударениях с электронами. При этом переход 1-3 осуществляется либо прямым ударом электрона в газовом разряде, либо рядом последовательных возбуждений с одного уровня на другой, имеющий большую энергию. Таким способом удается возбудить лишь сравнительно небольшое число типов атомов. Примером может служить возбуждение прямым столкновением одного из уровней из серии в атоме неона (уровня, второго сверху по энергии в сверхтонкой структуре, так, что его можно обозначить.):
Рабочим переходом при этом является переход
соответствующий излучаемой длине мкм.
Наиболее интенсивное возбуждение атома ударом электрона идет в этом случае, когда энергия налетающего электрона немного больше пороговой энергии возбуждения атома. Примером возбуждения рядом последовательных столкновений с электронами может служить возбуждение молекул в лазерах на смеси и;
б) возбуждение столкновениями в газовом разряде при наличии примесей. Инверсную населенность уровней можно получать со значительно большей интенсивностью, если использовать разумно подобранную смесь газов, такую, что возбуждение атомов основного газа А идет не только за счет столкновений с электронами, но и за счет резонансной потери энергии от возбужденных столкновениями на метастабильные уровни атомов примесного газа В. Таким образом, процесс возбуждения атома идет в определенной степени следующим путем. Атомы В за счет столкновений с электронами получают возбуждение, соответствующее переходу. Желательно, чтобы уровень был метастабильным и чтобы между уровнями и не было промежуточных уровней. Этот случай реализуется, например в атомах гелиядля переходов парагелий-ортогелий и (последний при наличии промежуточного уровня с запрещенным переходом).
Кроме того, энергетическое расстояние должно быть близко к. Из этих соображений нужно подбирать газ. В связи с метастабильностью возбужденные атомы живут сравнительно долго и, сталкиваясь с атомами, передают им энергию своего возбуждения по схеме
Таким способом удалось получить генерацию на серии смесей атомов инертных газов и молекул, например, на. При этом роль примесных атомов играют атомы в первых двух случаях, и атомы и молекулы в последних случаях. Эта роль в ряде случаев оказывается определяющей в возможности получения лазерной генерации. Так, например, в без примесей за счет чисто электронного возбуждения столкновением удалось получить генерацию только на трех переходах, а в смеси число генерируемых в различных условиях переходов достигает двадцати двух. Аналогично этому чистый генерировал только на двух переходах, а в смеси на семнадцати переходах. И таких примеров можно привести множество.
Рассмотрим метод возбуждения за счет диссоциации молекул. Этот метод основан на следующем процессе. Молекула, состоящая из двух атомов и, под влиянием столкновения с электроном или с другой молекулой, или с атомом, или с фотоном оказывается в возбужденном состоянии, из которого выходит путем диссоциации на атомы, причем один из них оказывается возбужденным. Процесс описывается уравнением
Однако, обычно, в качестве ударяющей по молекуле частицы выступает квант света, фотон, причем процесс называется фотодиссоциацией и имеет высокую эффективность. Так как метод диссоциации может быть реализован в отсутствии газового разряда, то этот метод часто относят к химическим методам получения инверсной населенности. В одном из первых лазеров, использующих этот метод, газ подвергался облучению светом мощной импульсной лампы, вызывая фотодиссоциацию по схеме, а затем возбужденные атомы йода давали генерацию на дине волны мкм. Так как процессу фотодиссоциации могут быть подвергнуты большие объемы газа, то йодные лазеры могут давать большую импульсную и непрерывную мощность излучения. Полагая, что процесс диссоциации описывается системой превращений молекулы и записывая два уравнения кинетики этого процесса для соответствующих концентраций рассматриваемых частиц
где - вероятность в единицу времени фотовозбуждения молекулы; - соответствующая вероятность ее образования при столкновении одного атома и атома;
и - вероятности спонтанного и индуцированного переходов в единицу времени, можно с учетом (4) из стационарного варианта (24) получить аналог формулы (9):
где - интенсивность (поток мощности) излучения, причем приближенное значение для получено в предположении достаточно быстрого процесса восстановления молекул, когда суммарная их концентрация настолько велика, что и.
Рассмотрим метод электроионизационного и фотоионизационного возбуждения газоразрядных лазеров, первый из которых уже упоминался в разд. 2. при описании метода получения эксимерных молекул.
Одной из основных задач лазерной техники является задача повышения энергии излучения, снимаемой с единицы объема возбужденного газа. Для решения этой задачи необходимо повысить давление газа. При этом энергия электронов в разряде тратится, во-первых, на создание проводимости плазмы (на ионизацию) и, во-вторых, на возбуждение активных частиц газа. Однако оптимальные значения энергии электронов, необходимые для выполнения каждой из этих функций, получаются различными, что существенно уменьшает эффективность системы. Для раздельного выполнения этих функций (ионизации и возбуждения) с целью повышения эффективности системы применяется электроионизационный метод, который состоит в том, что в область разряда дополнительно впрыскивается поток электронов, служащих для ионизации атомов газа, т.е. для создания проводимости плазмы. При этом напряжение на электродах можно уменьшить с тем, чтобы оно стало оптимальным для возбуждения атомов газа.
В устройстве, использующем электроионизационный метод, через отверстие в катоде разрядного промежутка в область между электродами разряда поступают электроны, идущие из вакуумного объема, отделенного от области разряда, в которой давление близко к атмосферному, тонкой алюминиевой фольгой. Электроны, созданные электронной пушкой или системой пушек, бомбардируют эту фольгу с высокой энергией (порядка 100 кэВ) и проникают через нее в область разряда, имея скорости, оптимальные для ионизации. Так как система работает в импульсном режиме, фольга не успевает сгореть. Специальные зеркала образуют в разрядном промежутке резонатор Фабри-Перо, причем одно из зеркал выпускает кванты генерации.
Фотоионизационный метод отличается от электроионизационного тем, что ионизация в разрядном промежутке осуществляется внешним облучением светом, а не быстрыми электронами.
Газодинамический метод получения инверсной населенности. Этот метод был предложен советскими физиками В. К. Конюховым и А. М. Прохоровым в 1966 г. Идея его состоит в следующем. Если нагреть газ, состоящий из атомов или молекул, имеющих трехуровневую систему (рис. 8), в которой вероятность спонтанного перехода значительно больше вероятности спонтанного перехода и больше вероятности перехода, то при нагревании число возбужденных молекул, находящихся на уровнях 2, будет больше, чем число молекул, находящихся на уровнях 3, т.к. .
Однако, если затем этот газ быстро охладить, то на уровнях 3 задержится больше молекул, чем на уровнях 2 из-за того, что и таким образом в течение некоторого времени будет создана инверсная населенность на переходе. На рис. 8 показано изменение во времени t, прошедшем после момента охлаждения газа, числа возбужденных молекул, находящихся на уровнях и. Видно, что при.Схема установки, реализующей этот метод на основе использования молекул, представлена на рис 9.
В камеру сгорания 1 поступает по трубке 2 жидкое топливо, а по трубкам 3 и 4 кислород и молекулы и, служащие в качестве примесей. С помощью запального устройства 5 топливо воспламеняется, образуется и горячая смесь газов, имеющих относительный состав
поступает при температуре под большим давлением в сопло 6, откуда со сверхзвуковой скоростью эта смесь попадает в большой объем 7, где происходит быстрое расширение, а следовательно, и быстрое охлаждение газа. При этом охлажденный газ оказывается в области резонатора Фабри-Перо, образованного зеркалами 8 и 9, где происходит индуцированное девозбуждение молекул и лазерная генерация.
Такие газодинамические лазеры в настоящее время позволяют получать непрерывную мощность порядка 500 кВт.
5. Плазменные методы получения инверсной населенности основаны на том, что в холодной плазме (в отличие от горячей газоразрядной плазмы) электроны имеют малые скорости и поэтому интенсивно рекомбинируют с ионами в объеме. При этом они занимают верхние незаполненные уровни энергии атома и таким образом образуют возбужденные на верхнем уровне атомы, создавая по отношению к более нижним уровням возбуждения атомов инверсную населенность. Если и - концентрация ионов и возбужденных на верхние и на нижние уровни атомов, то уравнения кинетики процессов будут:
где вероятность у иона в единицу времени рекомбинировать с электроном путем посадки его на верхний уровень, - вероятность спонтанного очищения нижнего уровня в единицу времени; и - соответствующие вероятности спонтанного и индуцированных переходов. Из стационарных вариантов уравнений (26.) с учетом (4.) имеем выражение типа (9.):
Из (27) следует, что для увеличения необходимо увеличивать, т.е. как можно быстрее очищать нижний уровень. Проблема очищения нижнего рабочего уровня является одной из основных проблем в плазменных и в газоразрядных методах получения инверсной населенности. Существует четыре основных механизма такого очищения:
- 1. за счет спонтанного перехода на более нижний (или основной) уровень энергии (радиационное очищение);
- 2. за счет передачи энергии возбуждения нижнего уровня охлажденным свободным электронам плазмы путем столкновения с ними;
- 3. за счет неупругих столкновений со специально добавленными примесными атомами газа, причем энергия возбуждения нижнего уровня может идти либо на резонансную передачу возбуждения соседнему атому примеси, либо на его ионизацию, либо на увеличение кинетической энергии его движения (удар второго рода). Добавляя необходимое количество удачно найденных примесных атомов, можно существенно увеличить и;
- 4. химическое, когда специально добавленные примесные атомы активно вступают в химическую реакцию с атомами, находящимися именно на нижних уровнях возбуждения, образуя новые молекулы и таким образом уменьшая в объеме плазмы.
По способам реализации плазменные (рекомбинационные) лазеры разделяются на импульсные, электронно-пучковые, с ядерной накачкой, плазмодинамические и плазмохимические. В импульсных лазерах генерация осуществляется после окончания прохождения мощного импульсного разряда в газе, состоящем из смеси рабочего и буферного газа, причем последний служит так же и для быстрого охлаждения электронов в то время послесвечения разряда, когда осуществляется лазерная генерация. (Примером могут служить лазеры на ионизированных парах щелочно-земельных металлов:). В электронно-пучковых лазерах и лазерах с ядерной накачкой в холодный рабочий газ извне вводится либо пучок быстрых ионизирующих газ электронов, либо ионизирующие газ осколки ядерных реакций, получаемые из стационарных ядерных реакторов или при специально созданных ядерных взрывах (именно таким последним способом пытаются реализовать лазер, генерирующий рентгеновские лучи).
В плазмодинамических лазерах генерация осуществляется в участках охлаждения свободно движущейся плазменной струи, предварительно образованной с помощью газового разряда, в проходящей через участок разряда струе газа или образованной каким либо другим способом. При этом струя может быстро охлаждаться за счет расширения, плотность ее может увеличиваться путем сжатия в продольном магнитном поле, либо внешнем, либо реализуемом за счет пинч-эффекта и др.
Плазмохимические лазеры характеризуются различными химическими способами очищения нижнего рабочего уровня.
4. Уравнения кинетики изменения населенности уровней в многоуровневых квантовых системах и условия инверсной населенности
Анализ условий получения инверсной населенности в многоуровневых системах и кинетику процессов этого получения можно проводить с различной степенью приближения. Ниже будут рассмотрены три различных подхода к этому анализу.
1. Анализ, основанный на учете только двух рабочих уровней многоуровневой системы. Такая схема, показанная на рис. 10, уже использовалась при анализе плазменных методов получения инверсной населенности, и если в уравнениях (26.) заменить (скорость внешней накачки уровня 2), то эти уравнения будут описывать кинетику процессов в рассматриваемом приближении, причем стационарный вариант решения этих уравнений дает выражение (27.), являющейся аналогом общего соотношения (9.), и имеющее вид
из которого следует, что стационарную инверсную населенность рабочих уровней нельзя получить при. Такой рабочий переход, у которого, называется самозапирающимся. Примером такого перехода может служить лазер на парах меди. Получить инверсную населенность в таком лазере можно лишь в начальной стадии переходного процесса, соответствующей переднему фронту импульса тока разряда. Проанализируем этот переходный процесс на основе уравнений (26.), в которых мы положим (отсутствует внешний сигнал). При этом из первого уравнения при начальных условиях
; получается
что после подстановки во второе уравнение (26.) и интегрирования при начальных условиях
Дает выражение
определяющее процесс изменения. Из (29.) следует, что, поэтому ход функции при различных соотношениях между и будет таким, как показано на рис 11, причём из уравнений (26) при можно получить, что этот ход описывается соотношением и имеет максимум при
Из рис.11 следует, что в самозапирающемся переходе в течение начального периода действительно существует неравенство. Так как из стационарного варианта уравнений (36) следует
то, вычитая второе уравнение (36) из первого и подставив из этого приближённого (для нестационарного режима) равенства, можно получить уравнение
приближённо описывающее кинетику процесса в случае и при. Это уравнение часто используется для приближённого анализа переходных процессов в лазерных системах.
- 2. Анализ трёхуровневой системы с верхним рабочим переходом при учёте спонтанного заполнения верхних уровней. Такое заполнение необходимо учитыывать в случае парамагнитных мазеров, когда тепловые спонтанные переходы существенно влияют на поведение системы, особенно при температурах, отличных от криогенных. Рассматриваемая схема соответствует рис.6,а,в и в случае накачки квантами света уравнения кинетики изменения населённостей (концентрации соответствующих атомов) , и уровней 1,2 и 3 имеют вид
причём так, как результирующая концентрация активных атомов
- (В (31) и в (32) величины - вероятности спонтанных переходов в единицу времени с i-го уровня на j-й, a -соответствующие вероятности индуцированных переходов).
Если из (34), (31) и (32) найти, то, вычитая из (34) все члены (32), можно для разности получить уравнение, определяющее dy/dt . Если все члены этого уравнения продифференцировать по времени, подставив
можно после определения из (34), (3l) и (32) и подстановки вместо его значения из уравнения для dy/dt , получить окончательное уравнение, определяющее в общем случае зависимость y= f(t)
Из соотношений (З5) - (41) можно получить стационарное значение, причём входящие в эти соотношения параметры имеют четкий физический смысл. Так, в отсутствие накачки, когда, получается выражение
из которого следует, что
есть значение в отсутствие сигнала и накачки. Сравнение (42) с (3)-(5) показывает, что - есть время спонтанной релаксации (время жизни возбуждения) сигнального перехода 32 в отсутствие накачки. Можно показать, что есть аналогичное время релаксации перехода накачки 31 в отсутствие сигнала, когда. Из (33) и (39) можно получить соотношение
определяющее населенность уровня 1 при.
Стационарное значение можно представить в виде, аналогичном выражению (9):
из которого следует, что в общем случае инверсию населенности (т.е.) можно получить лишь при, когда (), и при наличии достаточно большой накачки, такой, что
Сравнивая выражения
(42) и (44), (45), можно убедиться, что эффективное время релаксации возбуждения уровней сигнального перехода
уменьшается с ростом накачки при, . Из (44) следует, что инверсия населенности уровней сигнального перехода () пропорциональна величине
оценить которую можно полагая, что в отсутствие внешнего воздействия населенности, подчиняются закону Больцмана:
Откуда следует, что для мазеров, у которых мало
по сравнению с кT при комнатных температурах (при = 10 ГГц и при T = 300 К), для увеличения () необходимо уменьшать Т. Поэтому мазеры могут работать нормально лишь при криогенных температурах. Физически это объясняется тем, что тепловое движение забрасывает частицы на более высокие уровни, уравнивая концентрации частиц на различных уровнях и уменьшая тем самым В лазерах, где энергетический интервал достаточно велик, необходимость в понижении температуры обычно отсутствует.
Анализ, трехуровневых и четырехуровневых систем без учета спонтанного заполнения верхних уровней. Для мазеров при криогенных температурах и для лазеров при комнатных температурах с хорошей степенью приближения можно пренебречь спонтанными переходами на верхние уровни, т.е. считать при, так что, как это следует из (37)-(41), (43), (46), рассмотренные параметры имеют значения
так что стационарная разность населенностей тоже получается в форме выражения (9)
Из выражения (52) видно, что при, когда рабочий переход 32 становится самозапирающимся. Несложные расчёты параметра
основе (50), (5l) показывают, что
при изменении в широких пределах.
В усилительных системах (особенно в мазерах) сигнал обычно мал и можно полагать, так что из (52) следует выражение
которое показывает, что при, когда, инверсия населённости уровней сигнального перехода 32 наступает при сколь угодно малой накачке. Мы увидим, что для случая рабочего перехода 12 это не так. При очень большой накачке () населенности уровней 1 и 3 выравниваются (, что будет показано ниже) и из (55) следует, что параметр двухуровневый многоуровневый уравнение кинетика
определяет наибольшую относительную инверсную населенность, которая имеет место при, . Кроме того, т.к. в этом случае
то соотношения
определяют населенности уровней в трехуровневой системе при отсутствии сигнала и при очень большой накачке.
Рассмотрим трехуровневую систему с рабочим переходом 2I , типичным случаем использования которой является лазер на рубине. В этом случае при для, когда справедлива схема рис.6,б уравнения кинетики, подобные (31) и (32), будут иметь вид
и их стационарный вариант дает после замены решение в форме соотношения (9):
по-прежнему определяется из (50) и (51). Из (60) и (61) следует, что инверсия населенности в данном случае, может иметь место лишь при, когда, и при столь большой, накачке, что
(в отличие от случая использования перехода 32 в качестве рабочего). Для случая отсутствия сигнала () можно из (61) и (55) получить, что
так, что при, о чем упоминалось выше.
Таким образом, при использовании перехода 32 при обычно инверсия населенности получается при меньшей накачке, чем при использовании перехода 12 для.
Рассмотрим четырехуровневую квантовую систему с рабочим переходом 32 в качестве сигнального (см. рис. 7, б). Такая система реализуется в лазере на стекле, активированном неодимом, в жидкостных лазерах на красителях и др. Уравнения кинетики изменения населённостей квантовых уровней имеют в этом случае вид
Из стационарного вариант () этих уравнений следует, что инверсная разность населенностей рабочего перехода, записанная в форме (9), имеет значение:
Из (66) следует, что в этой системе, так же как и в трехуровневой системе с рабочим переходом 32, инверсная населенность наступает при сколь угодно малой накачке (), но лишь в случае выполнения неравенства
В случае если это неравенство нарушено, переход 32 в четырехуровневой системе будет самозапирающимся и система способна работать лишь в начальные периоды импульсного возбуждения.
Рассмотрение в разделах 2-4 стационарных режимов различных типов квантовых систем показывает, что все они имеют один и тот же тип нелинейности, определяющий зависимость коэффициента усиления от интенсивности I поля световой волны в соответствии с общими и одинаковыми выражениями (8), (9), (11), (14), (20), (22), (27), (28), (44), (60), (65).
Это позволяет строить теорию различных типов квантовых автогенераторов по единому плану, анализировать поведение и проводить оптимизацию их параметров по общей для всех этих приборов схеме.
Накачка осуществляется, как правило, одним из двух способов: оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных или жидкостных лазеров. Механизмы уширения линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно имеют дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Эти полосы поглощают заметную долю света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что уних спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы накачки дают широкополосное излучение, осуществлять оптическую накачку довольно трудно. Оптическую накачку весьма эффективно было бы использовать для полупроводниковых лазеров. дело в том, что у полупроводников имеет полоса сильного поглощения. Однако применение в данном случае электрической накачки оказывается более удобным, поскольку через полупроводник очень легко проходит электрический ток.
Еще один способ накачки – химическая. Есть два достойный внимания вида химической накачки: 1) ассоциативная реакция, ведущая к образованию молекулы АВ в возбужденном колебательном состоянии, и 2) диссоциативная реакция, , ведущая к образованию частицы В (атома или молекулы) в возбужденном состоянии.
Другим способом накачки газовой молекулы является сверхзвуковое расширение газовой смеси, содержащей данную молекулу (гадодинамическая накачка). Следует упомянуть также о специальном виде оптической накачки, когда лазерный луч используется для накачки другого лазера (лазерная накачка). Свойства направленного лазерного луча делают его очень удобным для накачки другого лазера, причем здесь не требуется специальных осветлителей, как в случае (некогерентой) оптической накачки. Благодаря монохроматичности излучения лазера накачки ее применение не ограничивается твердотельными и жидкостными лазерами, но ее можно также использовать для накачки газовых лазеров. В данном случае линия, излучаемая накачивающим лазером, должна совпадать с линией поглощения накачиваемого лазера. Это применяется, например, для накачки большинства лазеров дальнего ИК-диапазона.
В случае оптической накачки свет от мощной некогерентной лампы с помощью соответствующей оптической системы предается активной среде. На рис. 1 представлены три наиболее употребительные схемы накачки. Во всех трех случаях среда имеет форму цилиндрического стержня. Изображенная на рис. 1а лампа имеет форму спирали; при этом свет попадает в активную среду либо непосредственно, либо после отражения от зеркальной цилиндрической поверхности (на рис. Цифра 1). Такая конфигурация использовалась при создании первого рубинового лазера и до сих пор иногда применяется для импульсных лазеров. на рис. 1б лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа), радиус и длина которого приблизительно те же, что и у активного стержня. Лампа размещается вдоль одной из фокальных осей F1 зеркально отражающего эллиптического цилиндра (1), а лазерный стержень располагается вдоль другой фокальной оси F2. Большая часть света, излучаемого лампой, благодаря отражению от эллиптического цилиндра попадает в лазерный стержень. На рис. 1в изображен пример так называемой конфигурации с плотной упаковкой. Лазерный стержень и линейная лампа располагаются как можно ближе друг к другу и плотно окружаются цилиндрическим отражателем (1). Эффективность конфигурации с плотной упаковкой обычно ненамного ниже, чем в случае эллиптического цилиндра. Часто вместо зеркально отражающих рефлекторов в схемах на рис 1а и в применяются цилиндры, изготовленные из диффузно отражающих материалов. Применяются и сложные типы осветителей, в конструкции которых использованы более чем один эллиптический цилиндр или несколько ламп в конфигурации с плотной упаковкой.
Определим КПД накачки непрерывного лазера как отношение минимальной мощности накачки Pm, необходимой для создания определенной скорости накачки, к электрической мощности накачки Р, фактически подведенной к лампе. Минимальная мощность накачки может быть записана в виде: , где V – объем активной среды, vp – разность частот между основным и верхним лазерными уровнями. Распространение скорости накачки по активному стержню является во многих случаях неоднородным. Поэтому более правильно определять среднюю минимальную мощность накачки , где усреднение производится по объему активной среды. Таким образом
Для импульсного лазера по аналогии средний КПД накачки имеем
где интеграл по времени берется в пределах от начала до конца импульса накачки, а Е – электрическая энергия, подведенная к лампе.
Процесс накачки можно рассматривать состоящим из 4 различных этапов: 1) испускания излучения от лампы, 2) переноса этого излучения к активному стержню, 3) поглощения его в стержне и 4) передачи поглощенной энергии верхнему лазерному уровню.
Из выражения (1) или (!а) можно найти скорость накачки Wp:
Электрическая накачка применяется в газовых и п/п лазерах. Электрическая накачка газового лазера осуществляется пропусканием через газовую смесь постоянного, высокочастотного (ВЧ) или импульсного тока. Вообще говоря, ток через газ может протекать либо вдоль оси лазера (продольный разряд, рис. 2а), либо поперек ее (поперечный разряд, рис. 2б). В лазерах я продольным разрядом электроды нередко имеют кольцеобразную форму, причем, чтобы ослабить деградацию материала катода вследствие столкновения с ионами, площадь поверхности катода делается намного больше, чем у анода. В лазерах же с поперечным разрядом электроды вытягиваются на всю длину лазерной среды. В зависимости от типа лазера применяют самые различные конструкции электродов. Схемы с продольным разрядом используются обычно для непрерывных лазеров, в то время как поперечный разряд применяется как для накачки постоянным, так и импульсным и ВЧ током. Поскольку поперечные размеры лазера обычно существенно меньше продольных, в одной и той же газовой смеси напряжение, которое необходимо приложить в случае поперечной конфигурации, значительно ниже, чем напряжение для продольной конфигурации. Однако продольный разряд, когда он происходит в диэлектрической (пр., стеклянной) трубке (рис. 2а) позволяет получить более однородное и стабильное распределение накачки.
В электрическом разряде образуются ионы и свободные электроны, а поскольку они приобретают дополнительную энергию от приложенного электрического поля, они могут возбуждать при столкновении нейтральные атомы. Положительные ионы благодаря своей большой массе ускоряются значительно хуже, чем электроны, и поэтому не играют существенной роли в процессе возбуждения.
5.20. Оптические резонаторы. Гауссовские пучки света .
В открытых структурах типа интерферометра Фабри-Перо существуют характерные колебательные моды. К настоящему времени известно большое число модификаций открытых резонаторов, отличающихся друг от друга конфигурацией и взаимным расположением зеркал. Наибольшей простотой и удобством отличается резонатор, образованный двумя сферическими отражателями с равной кривизной, обращенными вогнутыми поверхностями навстречу друг другу и расположенные на расстоянии радиуса кривизны, равного радиусу сфер, друг от друга. Фокусное расстояние сферического зеркала равно половине радиуса кривизны. Поэтому фокусы отражателей совпадают, вследствие чего резонатор называется конфокальным (рис. 1). Интерес в конфокальному резонатору обусловлен удобством его юстировки не требующей сорогой параллельности отражателей друг другу. Необходимо лишь, чтобы ось конфокального резонатора пересекала каждый отражатель достаточно далеко от его края. В противном случае дифракционные потери могут быть слишком большими.
Рассмотрим конфокальный резонатор более подробно.
Пусть все размеры резонатора велики по сравнению с длиной волны. Тогда моды резонатора, распределение полей в нем и дифракционные потери можно получить на основе принципа Гюйгенса-Френеля путем решения соответствующего интегрального уравнения. Если отражатели конфокального резонатора имеют квадратное сечение со стороной 2а, которая мала по сравнению с расстоянием между зеркалами l, равным их радиусу кривизны R, а числа Френеля велики, то собственные функции интегрального уравнения типа Фокса и Ли аппроксимируются произведениями полиномов Эрмита Hn(x) на гауссову функцию .
В декартовой системе координат, начало которой помещено в центр резонатора, а ось z совпадает с осью резонатора (рис. 1), поперечное распределение поля дается выражением
где определяет размер той области поперечного сечения, при выходе на которой интенсивность поля в резонаторе, пропорциональная S2, падает в е раз. Другими словами – это ширина распределения интенсивности.
Полиномы Эрмита нескольких первых степеней имеют вид:
Собственными функциями уравнения, дающим поперечное распределение (1), соответствуют собственные частоты, определяемые условием
На рис. 2 графически представлены три первые функции Эрмита-Гаусса для одной из поперечных координат, построенные по формуле (1) с учетом (2). Эти графики наглядно показывают характер изменения поперечного распределения поля с увеличением поперечного индекса n.
Резонансы в конфокальном резонаторе имеют место только для целых значений . Спектр мод к.р. вырожден, увеличение m+n на две единицы и уменьшение q на единицу дает то же значение частоты. Основной является мода ТЕМ00q, поперечное распределение поля определяется простой гауссовой функцией . Ширина распределения интенсивности меняется вдоль оси z по закону
где , а имеет смысл радиуса пучка в фокальной плоскости резонатора. Величина определяется длиной резонатора и составляет
На поверхности зеркала площадь пятна основной моды, как видно из (4) и (5), вдвое больше, чем площадь сечения шейки каустики.
Решение (1) получено для поля внутри резонатора. Но когда одно из зеркал частично прозрачно, как это бывает в случае активных лазерных резонаторов, то выходящая наружу волна является бегущей волной с поперечным распределением (1).
По существу, выделение основной моды активного конфокального резонатора – это способ получения гауссова пучка монохроматического света. Рассмотрим их более подробно.) ширина , чему соответствует угловая расходимость
В результате основная часть энергии гауссова пуска сосредоточена в телесном угле
Таким образом, расходимость лазерного излучения в основной моде определяется не поперечным, а продольным размером резонатора лазера.
По существу, формула (8) описывает дифрагированную волну, являющуюся результатом самодифракции гауссова пуска. Дифракционная картина, описываемая (8), характеризуется монотонным уменьшением интенсивности при отходе от осевого направления, т.е. полным отсутствием каких-либо осцилляций в яркости дифракционной картины, а также быстрым спаданием интенсивности волны на крыльях распределения. Такой характер имеет дифракция гауссова пучка на любой апертуре, лишь бы размер ее в достаточной мере превышал ширину распределения интенсивности пучка.
Инверсная заселенность – это концентрация атомов с одинаковым энергетическим со- стоянием; в термодинамическом равновесии подчиняется статистике Больцмана:
Где – концентрация атомов, состояние электронов в которых соответствует энергетическим уровням с энергией и .
Когда концентрация невозбужденных атомов больше, чем возбужденных, величина Δn = отрицательна, следовательно, населенность нормальная. Когда концентрация возбужденных атомов больше, чем невозбужденных (что обеспечивается воздействием энергии накачки), величина Δn становится положительной, то есть происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет возбужденных атомов.
Формально условие Δn > 0 выполняется при абсолютной отрицательной температуре T < 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.
В полупроводниковых лазерах инверсия между населенностями энергетических уровней зоны проводимости и валентной зоны достигается инжекцией носителей при положительном смещении p-n-перехода.
Лазерное усиление
Лазерное усиление - это усиление оптического излучения, основанное на использовании индуцирующего излучения – при воздействии кванта излучения на атом в возбужденном состоянии, происходит переход электрона из состояния с энергией в состояние с энергией , сопровождаемый испусканием кванта излучения c энергией, равной энергии вынуждающего кванта hν = – .
В среде с достаточной концентрацией возбужденных атомов при пропускании через нее излучения, можно получить режим усиления, если количество образовавшихся фотонов существенно больше потерь на поглощение и рассеяние.
Инжекционный лазер представлен на рисунке 1.3
Рис. 1.3.Схема устройства полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)
На рис.1. 4 представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми у них выравниваются (рис.1. 4 а). А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1. 4. б).
Рис.1. 4. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б). d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.
В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная населённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны. По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этом процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.
На рис.1. 5 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.
Рис.1. 5. Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.
В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес академик РАН Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года). Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 1. 6, а её энергетическая схема – на рис. 1. 7.
Рис. 1.6. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.
Рис. 1.7 .Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис. 1. 6. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.
Рис. 1. 8. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: l - длина резонатора
Активная среда
Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность. В разных типах лазеров она может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. Лазеры получают названия в зависимости от используемой активной среды.
Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.
Существует два типа полупроводниковых лазеров.
Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, где в качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe
Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер – состоит из примесных полупроводников, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019 . Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия GaAs.
Условие создания инверсной населенности для полупроводников на частоте v имеет вид:
∆F= - >hv
То есть, чтобы излучение в полупроводниковом монокристалле усиливалось, расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок должно быть больше энергии кванта света hv. Чем меньше частота, тем при меньшем уровне возбуждения достигается инверсная населенность.
Система накачки
Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.
В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров).
Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3.1) или продольной (рис. 3 .2). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.
Рис. 3.1 - Поперечная накачка электронным пучком
Рис. 3.2 - Продольная накачка электронным пучком
В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 3.3).
Рис. 3.3 - Принцип устройства инжекционного лазера
Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера.
Резонатор
Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).
Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фаби – Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии друг от друга.
В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.
Рис. 4.1. Типы оптических резонаторов: а – плоский, б – призменный, в – конфокальный, г – полуконцентрический, д – составной, е – кольцевой, ж,з – скрещенные, и – с брэгговскими зеркалами. Заштрихованы активные элементы.
В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 4.1, б). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора.
Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф (рис. 4.1, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор.
Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. Например, рис. 4. 1, д. – составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 4. 1,е).
Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скрещенные резонаторы (рис. 4. 1. ж,з). Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью.
Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 4. 1, и) или селективным воздействием на однородную среду.
Используются и другие конструкции резонаторов.
По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации.
Потери в резонаторе
Генерацию излучения упрощенно можно представить так: рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз. Например, в плоском резонаторе через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Так появляются потери.
Выделяют несколько видов потерь на резонаторе:
1.Потери на зеркалах.
Поскольку часть генерируемого в среде излучения необходимо вывести из резонатора, применяемые зеркала (по крайней мере одно из них) делаются полупрозрачными. Если коэффициенты отражения зеркал по интенсивности равны R1 и R2 , то коэффициент полезных потерь на выход излучения из резонатора в расчете на единицу длины будет задаваться формулой:
2.Геометрические потери
Если луч распространяется внутри резонатора не строго нормально поверхностям зеркал, то после определенного числа отражений он достигнет краев зеркал и покинет резонатор.
3. Дифракционные потери.
Рассмотрим резонатор, образованный двумя плоскопараллельными круглыми зеркалами радиусом a. Пусть на зеркало 2 падает параллельный пучок излучения с длиной волны λ. Пучок отражается от зеркала и одновременно дифрагирует в угол порядка d ϕ ≈ λ a . Числом Френеля для данного резонатора называется число проходов между зеркалами, когда итоговая расходимость пучка достигнет угла выхода излучения за края зеркал ϕ=a/L
4.Рассеяние на неоднородностях активной среды.
Если резонатор заполнен активной средой, то возникают дополнительные источники потерь. При прохождении излучения через активную среду часть излучения рассеивается на неоднородностях и посторонних включениях, а также ослабляется в результате нерезонансного поглощения. Под нерезонансным поглощением понимают поглощение, связанное с оптическими переходами между уровнями, не являющимися рабочими для данной среды. Сюда же могут быть отнесены потери, связанные с частичным рассеянием и поглощением энергии в зеркалах.
Если система находится в состоянии термодинамического равновесия с внешней средой, то вероятность того, что какой-либо атом находится на энергетическом уровне характеризуется множителями или Если общее число атомов составляющих систему, то число атомов, населяющих энергетические уровни т. е. населенности этих уровней, равно
Здесь - статистические веса данных уровней (степени вырождения), т. е. число различных состояний или наборов квантовых чисел для данного энергетического уровня.
Следовательно, соотношение населенностей этих энергетических уровней определяется выражением
В случае невырожденных состояний, т. е. когда имеем
Если то при термодинамическом равновесии населенность и температура, выраженная через отношение населенностей уровней, будет равна
Согласно второму закону термодинамики система всегда стремится к равновесию, и если какое-либо внешнее воздействие выведет
ее из состояния термодинамического равновесия (например, состояния атомов активатора в рубине после оптической накачки), тогда система путем перераспределения энергии сама перейдет в новое термодинамическое равновесие. Обычно такие процессы, возвращающие систему в состояние равновесия, называются релаксационными. Проанализируем выражение температуры системы через населенности энергетических уровней.
1. , если т. е. все атомы находятся в основном в устойчивом состоянии.
2. , если населенность т. е. низкие энергетические уровни имеют большую населенность, чем высокие. Эти состояния системы приближаются к равновесному состоянию.
3. Если в результате внешнего воздействия нам удалось перераспределить частицы в системе так, что населенность высоких энергетических уровней стала больше, чем низких, т. е. то легко убедиться, что этому состоянию отвечает отрицательное значение температуры Такое состояние системы называется состоянием с инверсной населенностью. Правда, следует учитывать, что при инверсной населенности распределение Больцмана не имеет места, поэтому определение отрицательной температуры можно рассматривать лишь как определение неравновесного состояния.