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 накачка в 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.1.20). Активной средой в нем является плазма высокочастотного газового разряда в смеси гелия (He) и неона (Ne). Парциальные давления гелия и неона составляют соответственно 1мм и 0,1 мм ртутного столба.

Процесс 1. Атомы гелия за счет соударения с электронами переходят из основного энергетического состояния E₁ в возбужденное состояние E₃.

Состояние Е₃ является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет величину τ » 10^-3. За это время возбужденные атомы He при столкновениях с атомами Ne передают им свою энергию (Процесс 2). В результате создается инверсная населенность энергетического уровня Е₃ атома Ne : N_E3 >N_E2 (1.13.6)

Переход атомов неона с уровня Е₃ сопровождается вынужденным излучением (Процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.

Чтобы увеличить эффект усиления света и обеспечить режим генерации, активная среда помещается в резонатор. Резонатор представляет собой два зеркала, установленных параллельно друг другу (рис.1.21).

Процесс генерации света заключается в следующем.

Рассмотрим фотон, испущенный при переходе E₃ E₂и движущийся параллельно оси резонатора. Этот фотон вызывает вынужденные переходы и рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении. Часть потока фотонов пройдет через полупрозрачное зеркало 2, часть отразится в нем и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться. Затем отразиться 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.