Методы создания инверсии

Чтобы создать инверсию, надо позаботиться либо о том, чтобы верхний рабочий уровень заселялся активными центрами интенсивнее, чем нижний, либо о том, чтобы нижний рабочий уровень очищался (освобождался) от активных центров интенсивнее, чем верхний. В обоих случаях должно быть обеспечено преимущественное заселение активными центрами верхнего рабочего уровня.

Физические механизмы заселения {очищения} энергетических уровней достаточно многообразны. Поэтому существуют разные способы создания инвертированных активных сред или, как обычно говорят, разные способы накачки активной среды.

Прежде всего отметим оптическую накачку — преимущественное заселение верхнего рабочего уровня за счет световой энергии специальных излучателей (газоразрядных импульсных ламп, ламп непрерывного горения).

Для газообразной активной среды часто применяют накачку с использованием самоподдерживающегося электрического разряда. Преимущественное заселение верхнего рабочего уровня происходит при этом в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами, образующимися в плазме разряда. Существенную роль играет также резонансный обмен энергией при неупругих столкновениях активных центров со вспомогательными атомами и молекулами, специально вводимыми в активную среду.

При химической накачке преимущественное заселение верхних рабочих уровней происходит в процессе экзотермических химических реакций в активной среде.

Применяют также сильный нагрев активной среды с последующим быстрым ее охлаждением (тепловая накачка). Использование тех или иных способов накачки тесно связано с характером активной среды.

 

Принципиальные схемы уровней активных центров.

В качестве активных центров используются различные атомы, ионы, молекулы. Они имеют свои (и подчас довольно сложные) структуры энергетических уровней. Однако все разнообразие этих структур можно фактически свести к нескольким весьма упрощенным схемам, которые, несмотря на простоту, правильно отражают принципиальную сторону дела, не учитывая различных не очень существенных деталей. Эти упрощенные схемы содержат всего три или четыре уровня (см. рис. 3). На рисунке использованы следующие обозначения; 0 — основной уровень,1 — нижний рабочий уровень, 2 — верхний рабочий уровень, 3 — уровень возбуждения.

 

 

 

 

Рис. 3. Упрощенные принципиальные схемы уровней активного центра. Рабочий переход — переход 2—1

 

Вертикальная стрелка вверх означает возбуждение (накачку), вертикальная стрелка вниз — рабочий переход, косые стрелки — вспомогательные переходы.

Рассмотрим трехуровневую схему, показанную на рис. 3, а. Система накачки (это может быть, например, оптическая накачка) переводит активные центры на уровень возбуждения. В течение относительно малого времени (порядка 10^-8 с) активные центры переходят с уровня возбуждения на верхний рабочий уровень, передавая избыток энергии, например, колебаниям кристаллической решетки (в твердотельной активной среде). На верхнем рабочем уровне активные центры как бы «застревают» (на время порядка 10^-4…10^-2 с); в результате происходит накопление активных центров на этом уровне и возникает инверсия.

Нижний рабочий уровень в рассматриваемой схеме обозначен на рисунке двумя цифрами — 0 и 1. Тем самым показано, что этот уровень является одновременно и основным уровнем, и нижним рабочим уровнем. Такое «совместительство» имеет отрицательную сторону. Ведь нижний рабочий уровень должен иметь малую заселенность; в то же время основной уровень обычно заселен достаточно плотно. Чтобы создать инверсию в данной схеме уровней, надо «убрать» с основного уровня более половины всех активных центров.

В этом смысле более удобна трехуровневая схема, показанная на рис. 3, б. Здесь можно добиться того, чтобы нижний рабочий уровень всегда практически пустовал; попадающие на этот уровень активные центры могут относительно быстро переходить на основной уровень. Однако данная схема имеет свой (и притом довольно существенный) недостаток: один и тот же уровень является одновременно уровнем возбуждения и верхним рабочим уровнем. Как уровень возбуждения он должен был бы иметь заметную ширину, т. е. представлять собой, по сути дела, энергетическую полосу, чтобы эффективнее использовать энергию накачки). Как верхний рабочий уровень, он, напротив, должен быть очень узким (чтобы «время жизни» активных центров на данном уровне было достаточно большим). Указанные требования оказываются несовместимыми.

Поэтому оптимальной представляется четырехуровневая схема (см. рис. 3, в). Впрочем, в отличие от трехуровневых схем, в данной схеме больше вспомогательных переходов. А каждый лишний переход — это дополнительные потери энергии.

Таким образом, каждая из показанных на рисунке схем имеет свои недостатки и свои положительные стороны. Во всех схемах «время жизни» активных центров на верхнем рабочем уровне должно быть относительно большим; иначе не произойдет накопление центров на данном уровне, необходимое для создания инверсии. Такие уровни называют метастабильными.

Заметим, что двухуровневая схема принципиально непригодна. В такой схеме излучение накачки, с одной стороны, переводило бы активные центры с нижнего рабочего уровня (он же основной уровень) на верхний рабочий уровень (он же уровень возбуждения, а с другой стороны, инициировало бы обратные переходы — с верхнего рабочего уровня на нижний. Иначе говоря, излучение накачки одновременно бы и заселяло, и очищало верхний рабочий уровень. Создание инверсии при этом оказывается принципиально невозможным. Вот почему во всех схемах частота рабочего перехода отличается от частоты перехода накачки.