Усиление, самовозбуждение и мощность накачки

Для усиления в лазере необходимо, чтобы при индуцированных переходах излучалось больше фотонов, чем поглощалось. Для этого населённость N₂ состояния 2 (см. рис. 1) должна быть больше населённости состояния 1.

Это соотношение населённостей достигается различными методами. Чтобы определить мощность, которую необходимо подводить при возбуждении, необходимо оценить усиление, достигаемое в результате индуцированного испускания.

Для заданного усиления необходимо необходима определённая инверсия населённости. (Инверсия – изменение знаков всех координат частиц системы). Она может быть достигнута лишь при подводе достаточной энергии возбуждения.

Разности испущенных и поглощенных фотонов соответствует мощность

P = ħw(W₂₁ – W₁₂) (18)

Плотность населённости n=N/V, имеем

P = (ħw/c) B₁₂ (N₂ – N₁) g (w) S(w). (19),

где S(w)=cs(w) –плотность излучения.

Если это равенство поделить на объём V, то оно будет описывать возрастание плотности потока мощности в усиливающей среде:

P/V = (ħw/с)В₁₂(n₂ – n₁)g(w) S(w) (20)

 

В идеальном случае среда начинает усиливать при равенстве населённостей n₂ = n₁. В действительности, все вещества обладают потерями; чтобы компенсировать их и, кроме того, добиться при этом ещё некоторого усиления, необходимо создать конечную инверсную разность населённостей Dn.

Для возбуждения колебаний лазер охватывается обратной связью. Для этого активная среда с двух сторон в соответствии с рис. 3 закрывается зеркалами, один из которых делается слегка прозрачным.

 

 

 

L

 

Рис. 3 - Оптический резонатор с активным веществом для возбуждения генерации

 

Фотоны, испущенные при спонтанных переходах 2↔1, вызывают индуцированное испускание. Проходя через активное вещество, эти фотоны вызывают у отдельных атомов переход из состояния 2 в состояние 1, увеличивая таким образом общую энергию фотонов. Они отражаются от плоских зеркал и снова возвращаются в среду. Далее они снова усиливаются и отражаются. Возбужденная таким образом волна, параллельная оси прибора, многократно пробегает расстояние между двумя зеркалами. Волны с другими направлениями распространения либо выбывают сразу же через прозрачные боковые стенки, либо покидают активное вещество после нескольких отражений.

Самовозбуждение становится возможным лишь тогда, когда усиление волны компенсирует затухание вследствие потерь. Причины затухания в оптическом резонаторе:

поглощение в активной среде,

рассеяние на оптических неоднородностях среды,

пропускание и поглощение зеркала,

дифракция у края зеркала.

Совокупность всех этих причин приводит к общему затуханию а, которое можно отнести к длине резонатора, получив удельное затухание a:

a = а/L (21). Для самовозбуждения, v = a (22). Инверсия населённости тогда должна удовлетворять условию: Dn ³ (a cDw/2ħwB₁₂) (23)

В термическом равновесии различные состояния заселены в соответствии с распределением Больцмана (15). Согласно этому распределению, чем ниже расположен энергетический уровень, тем больше атомов на нём находится (см. рис. 2). Чтобы создать инверсное распределение, необходимо подвести дополнительную энергию, например, путём облучения электромагнитным излучением.