Трёх- и четырехуровневые лазерные вещества

А Б

Рис. 4. Диаграммы энергетических уровней многоуровневых лазеров

А – четырёхуровневого; Б – трёхуровневого

На рис. 4 показано, какие энергетические уровни обычно используются при облучении электромагнитным полем. При облучении и других способах подвода энергии к веществу большое число атомов возбуждается, переходя на уровни энергетической зоны 3. Из этой зоны относительно бóльшая часть атомов должна, главным образом безызлучательным путём, перейти в состояние 2. Необходимо, чтобы состояние 2 было метастабильным, т.е. время жизни на нём должно быть достаточно большим, во всяком случае, оно должно быть больше времени жизни на уровне 1. При этих условиях населённость N₂ уровня 2 может стать больше населённости N₁ (см. рис. 4).

По величине энергии накачки, необходимой для создания инверсной населённости, достаточной для самовозбуждения, лазерные вещества делятся на две группы, отличающиеся положением рабочих энергетических уровней.

В четырёхуровневом лазере конечное состояние 1 индуцированного перехода с энергией E₁»kT лежит намного выше основного состояния, при этом равновесная населённость N₁ на основании распределения Больцмана намного меньше инверсной разности населённостей (инверсии) DN.

Следовательно, условием возникновения генерации в этом случае является соотношение N₂» DN. На уровень 1 в единицу времени также переходят спонтанно по крайней мере A₁₂N₂ атомов. Хотя переходы на уровень 1 в большинстве случаев являются определяющими, в реальном лазерном веществе часто возникают также спонтанные переходы в другие состояния, кроме первого, а также происходят безызлучательные переходы. Поэтому пороговая величина мощности накачки как правило выше рассчитанной на основании условия N₂» DN.

В трёхуровневом лазере конечное состояние индуцированного перехода лежит вблизи основного состояния. При этом E₁» kT, так что уже в равновесии, в соответствии с распределением Больцмана, это состояние сильно заселёно. В этом случае бóльшая часть энергии накачки должна расходоваться на то, чтобы косвенным путём через зону 3 создать населённость N₂ ≈ N₁. Тогда инверсия DN, необходимая для появления генерации, будет малой по сравнению с населённостью N₁, таким образом, N₁»DN и в трёхуровневом лазере требуется значительно бóльшая мощность накачки, чем в четырёхуровневом лазере.

Отношение этих мощностей равняется примерно N₂/DN. В реальных веществах N₂/DN ~ 100, т.е. трёхуровневый лазер необходимо накачивать с мощностью, в 100 раз превышающей мощность накачки четырёхуровневого лазера.