ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
Лазер — генератор излучения, когерентного во времени и пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систему излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.
Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее [22]. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Ен часть электронов с нижних равновесных уровней Е переходит на более высокие уровни, а затем оказывается на уровне возбуждения Е2 (рис. 5.1).
Возвращение этих электронов с уровня Е2 на уровень Е сопровождается испусканием фотонов с длиной волны
=1,24/(Е2-Е0, (5.1)
Где А. — выражается в мкм; Е — в эВ.
Процесс перехода электронов с уровня Е2 на уровень Е может проходить по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1-3 на рис. 5.1). Такой процесс перехода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения.
Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных переходов из энергетического состояния Е2 в £, (переходы 4, 5 на рис. 5.1). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынужденное излучение — когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии, используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазерными уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или зонами — лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными переходами (из состояния Е2 в состояние Е — переходы 4, 5 на рис. 5.1) существуют спонтанные переходы из Е2 в Е1 (1-3 на рис. 5.1), а также переходы из Ех в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6 на рис. 5.1).
Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Количество лазерных переходов за время Д/ можно в первом приближении выразить в виде
А^лоз= Вг бвын^г Д7, (5.2)
Где В21 — вероятность лазерного перехода; Qmm — энергия вынуждающего излучения; N2 — концентрация атомов в энергетическом состоянии Ег.
Спонтанные переходы из Е2 в Ех происходят самопроизвольно (т. е. от вынуждающего излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде
Мат=-А2№Ы, (5.3)
Где Л2 — вероятность спонтанного перехода Е2 —> Е.
Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающего излучения, определяется выражением
А'погл = - Япбвьш#, М, (5.4)
Где В2 — вероятность квантового перехода с поглощением излучения; N1 — концентрация
Атомов в энергетическом состоянии Е.
Полагая в первом приближении равенство вероятностей В2 = В2 = В, получаем условие лазерного усиления в виде
В{Иг - ЛГ,)(2ВЫИ - АиН2 > 0. (5.5)
При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления
Можно записать как
Я2„ы„(^2 - ЛГО > 0 или ЛЛГ = (ЛГ2 - > 0.
В равновесном состоянии системы всегда N2 > Nr и лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.
Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных переходов больше, чем отдает из-за поглощения.
Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного перехода В2 и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют получить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы в изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.
Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана
N2/Nt = ехр Н£2 - £,)/(&)], (5-6)
Где N2 — населенность возбужденными атомами (в состоянии Е2) — населенность невоз
Бужденными атомами (в состоянии Е).
F-^zVLi I kt) |
При этом AN = N2-N, = N, |
Exp |
Отрицательна, и в веществе имеем нор- |
Мальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно,
Когда АЫ > 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей, и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов.
Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.
Таким образом, усиление вынужденного излучения, или лазерное усиление, требует, во-первых, инверсии населенностей (Л'2> Nх) и, во-вторых, подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.