Заселенность инверсная

Создание инверсной заселенности. Инверсной заселенности энергетических уровней можно добиться с помощью некоторого воздействия на атомы, независимого от усиливаемого света. [c.311]

Кюри — Вейсса 531 Заселенность инверсная 393 Зона Джонса 500 [c.610]

Усиление света с помощью трехуровневой системы. Рассмотрим трехуровневую систему (рис. 17.4) . Под действием оптического излучения с энергией hv = — Ei атомы переходят из состояния i в состояние 3. Из состояния 3 возможны спонтанные переходы в 2 и в Ех. Из состояния 2, в свою очередь, возможны спонтанные переходы в состояние ,. Чтобы получить инверсную заселенность между уровнями Ei и состояние Е должно быть более долгоживущим по сравнению с 3, т. е. должны удовлетворяться следующие условия [c.383]

Инверсная заселенность уровнен 382 Интенсивность света 8, 27, 51, 52 [c.427]

В данной главе будет идти речь главным образом о средах с инверсной заселенностью. Поэтому вместо поглощаемой мощности <7 (сй) и коэффициента поглощения ад(сй) целесообразно ввести новые обозначения для излучаемой мои ности или мощности испускания <7((о) и коэффициента усиления а((о), отличающиеся знаком от д(со) и ад(со) [c.775]

Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней, обеспечивающую усиление распространяющегося в ней излучения, принято называть активной средой. [c.775]

Инверсную заселенность уровней можно образовать в газовом разряде при помощи некоторых химических реакций, оптического возбуждения и т. д. О нескольких способах создания активной среды будет сказано ниже ). [c.775]

Описанное явление имеет принципиальное значение для оптических квантовых генераторов, и мы рассмотрим его подробнее. Пусть в среде создана инверсная заселенность уровней т, п. Ради упрощения формул статистические веса состояний т, п будем предполагать одинаковыми gm = gn) В противном случае разность Мт — Л я В последующих выражениях следует заменить на Nn/gn (см. (223.3)). [c.777]

При анализе эффекта насыщения подразумевалась инверсная заселенность уровней, т. е. N t > Если Nm <С Л/л, ТО соотношения (224.2) — (224.4) остаются в силе, но число переходов с поглощением превышает число переходов с вынужденным испусканием, и в итоге среда не отдает энергию в поле, а получает ее из поля. [c.778]

Когерентное усиление света средой с инверсной заселенностью энергетических уровней определило возможность использовать такую среду для генерации направленного потока монохроматического излучения. [c.779]

Рассмотрим, как будет излучать свет активная среда, помещенная между двумя зеркалами типа используемых в интерферометрах Фабри —Перо (рис. 40.4). Такую систему принято называть активным оптическим резонатором. Пусть возбужденный атом, расположенный в точке А, испускает волну в результате спонтанного перехода между уровнями с инверсной заселенностью. [c.779]

Выше неоднократно подчеркивалось значение резонатора для самовозбуждения генерации лазера. Генерация начинает развиваться, как только инверсная заселенность примет пороговое значение, определяемое потерями энергии в резонаторе. Поэтому целесообразно иметь большие потери на первом этапе освещения кристалла с тем, чтобы задержать начало развития генерации и накопить в освещенном кристалле более высокую концентрацию возбужденных ионов хрома. Можно расположить перпендикулярно пучку только одно зеркало, а другое зеркало или призму полного отражения (рис. 40.9) вводить в рабочее положение лишь после того, как будет достигнута высокая инверсная заселенность. [c.789]

Кратко обсудим процессы, которые обеспечивают инверсную заселенность уровней неона. [c.793]

Положение изменяется, если в разрядную трубку ввести гелий. Гелий обладает двумя долгоживущими (метастабильными) состояниями a, 3, показанными на левой части рис. 40. 11 эти состояния возбуждаются при столкновениях с электронами, и ввиду большой длительности их существования, концентрация метастабиль-ных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии 0, 2 мета-стабильных состояний гелия очень близки к энергиям 3, Е неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при их столкновениях. Эти процессы символизируются горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрация атомов неона, находящихся на уровнях 3, 2, резко увеличивается, и возникает инверсная заселенность уровней 3 и 4, а разность заселенностей уровней , и 4 увеличивается [c.793]

В предыдущих параграфах, посвященных описанию принципа действия и конкретных схем лазеров, основное внимание концентрировалось на энергетической стороне дела, а именно, на методах образования достаточно большой инверсной заселенности и на усилении поля в активной среде. Существенную роль при этом играл резонатор, зеркала которого отражали падающий на них свет в активную среду и тем самым способствовали достижению порога генерации. Однако, помимо указанной функции, резонатор выполняет и другую — формирует пространственно когерентное и монохроматическое излучение. [c.794]

Переход от одного режима к другому достигается изменением величины инверсной заселенности уровней. [c.799]

Существуют режимы работы оптических квантовых генераторов, в которых выходящее из них излучение имеет вид последовательности эквидистантных, относительно коротких импульсов света. На рис. 40.19 приведена зависимость от времени мощности излучения лазера ), введенного в такой режим. Продолжительность каждого импульса составляет примерно 5-10" с ), а интервал времени между последовательными импульсами точно равен длительности одного цикла Т = 2Ыс (в данном случае 6,8-10 с). Полное число импульсов определяется временем существования инверсной заселенности уровней иона неодима. [c.811]

Кратко обсудим нелинейные явления, приводящие к возникновению сверхкоротких импульсов в лазерах с поглощающим элементом внутри резонатора. Пусть создана инверсная заселенность уровней в активном элементе лазера и происходит усиление спонтанного излучения. Ввиду случайного характера актов спонтанного испускания амплитуда поля хаотически изменяется во времени и от точки к точке ) (рис. 40.20, а). Амплитуда поля имеет вид набора случайных по величине и случайно расположенных выбросов . На перво,VI этапе развития генерации, когда мощность излучения еще невелика, фильтр ослабляет все выбросы в равной мере. С течением времени все большее число атомов возбуждается, и энергия [c.814]

Как было показано в 228, спектральный интервал, в пределах которого могут располагаться квазимонохроматические компоненты излучения лазера, несколько меньше ширины линии, отвечающей переходу между уровнями с инверсной заселенностью, но пропорционален ей. В гелий-неоновом и рубиновом лазерах ширины линий составляют соответственно 0,03 см" и 20 см а ука- [c.816]

Кванты света поглощаются, а частицы переходят из состояния с энергией Ео в состояние с энергией Е2. Такое заселение уровня 2 получило название оптической накачки. Инверсия населенности здесь может быть получена либо между уровнями 2 и El (т. е. П2>П]), либо между уровнями 1 и о( 1> о)- В первом случае усиление возникает на переходе Ет Еи во вто- Рис. 9.9. Трехуровневая ром — на переходе Ei- Eo. Ясно, что для схема переходов создания инверсной населенности между [c.317]

Особенностью процесса оптического возбуждения двухуровневой системы является невозможность перевести в возбужденное состояние более половины частиц и, следовательно, невозможность создать инверсную заселенность уровней. Действительно, при и— оо из (35.17) и (35.18) видно, что П1 = П2 = п12. Этот результат непосредственно связан с наличием вынужденного испускания. [c.274]

Инверсная заселенность создается между уровнями Е и Е2 методом оптической накачки. Важно, чтобы основная масса энергии, излучаемой источником накачки, попадала в полосы поглощения активного вещества и эффективно использовалась для создания инверсной заселенности в системе рабочих уровней. Как уже упоминалось, для накачки активного вещества применяют импульсные газоразрядные ксеноновые лампы, коэффициент полезного действия которой около 50 % [c.286]

МНОГО атомов гелия. Энергии уровней гелия 2 и 3 близки к энергиям уровней Ег и 3 неона. Благодаря этому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит резонансная передача энергии от атомов гелия к атомам неона (что показано на рис. 35.16 пунктирными горизонтальными стрелками). Потерявшие энергию атомы гелия безызлучательно переходят в невозбужденное состояние. Этот процесс приводит к сильному возрастанию концентрации атомов неона на уровнях Е% 3 и возникает инверсная заселенность уровней 3 и 1, а разность заселенностей уровней 2 и 1 увеличивается в несколько раз. [c.290]

Схематически работу рубинового ОКЕ можно описать при помощи системы из трех уровней (рис. 113) 1 — основной уровень 2 — метастабиль-ный уровень, являющийся верхним уровнем лазерного перехода 3 — уровень, на который переходят ионы хрома при поглощении излучения накачки. В такой системе нижним уровнем генерации является сильно заселенный основной уровень. Поэтому для достижения инверсной населенности необходимо, грубо говоря, половину всех ионов перевести с нижнего уровня 1 на верхний уровень 2. Для этого требуются очень большие мощности излучения накачки. [c.296]

Для расчета нестационарной генерации рубинового ОКГ надо составить диференциальные уравнения, которые определяют изменение во времени инверсной населенности АЫ и плотности излучения в резонаторе и. Решение этих уравнений, полученное на электронно-вычислительной машине, представлено на рис. 114. Генерация возникает, когда под действием излучения накачки достигается пороговое значение инверсной населенности АМ ор, при котором коэффициент усиления К равен коэффициенту потерь Кп- Однако плотность излучения и вначале невелика и скорость вынужденных переходов 1С верхнего уровня еще меньше, чем скорость его заселения под действием накачки. Поэтому в течение некоторого времени (-- 1 мкс) АЫ продолжает возрастать, несколько превышая ЛЛ/дор. Если пренебречь незначительным вкладом спонтанного излучения, то [c.297]

Для действия лазера необходимо не только эффективное заселение верхнего уровня рабочего перехода, но и быстрое опустошение нижнего уровня. В Не—Не-лазере нижние уровни 2р и Зр опустошаются в основном вследствие спонтанных переходов на уровни 1л. Вероятность этих переходов достаточно велика. Так, время жизни уровня 2р и большинства других уровней 2р составляет всего 2-10 с. Однако эффективному опустошению р-уров-ней может препятствовать значительная населенность уровней 1л. Два из них являются метастабильными, но и остальные опустошаются очень медленно вследствие пленения резонансного излучения. Поглощение излучения, испускаемого при спонтанных переходах с уровней 2р и Зр, атомами, находящимися на уровнях 1л, приводит к дополнительному заселению уровней 2р и Зр. Еще большую роль в заселении этих уровней играет электронное возбуждение с уровней 1л, эффективное сечение которого очень велико. Вследствие этого необходимым условием создания инверсной населенности является не слишком высокая концентрация атомов на уровнях 1л. Опустошение этих уровней происходит в основном при столкновениях со стенками разрядной трубки, к которым диффундируют возбужденные атомы. Процесс диффузии протекает тем быстрее, чем меньше диаметр трубки. Именно этим объясняется экспериментально установленная зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от диаметра разрядной трубки [c.304]

При низкой температуре молекулярные магниты устанавливаются в сильном магнитном поле, как показано на рис. 23, а, т. е. приходят в состояние с наименьшей энергией (или, как говорят, в системе заняты преимущественно более низкие энергетические уровни). При сообщении системе магнитов энергии (приводящей к увеличению ее температуры) уже не все магниты ориентируются по напряженности поля, и чем большую энергию получает система, тем более беспорядочным будет распределение магнитов. Наступает такой момент, когда беспорядочность становится полной — система полностью утрачивает намагниченность. Это соответствует температуре Т= + со, характеризующей равномерное распределение частиц по всем энергетическим уровням (рис. 23,6). Продолжая сообщать энергию системе, можно достигнуть того, что элементарные магниты ориентируются против напряженности внешнего поля (рис. 23, в) так, что возникает преимущественная заселенность верхних энергетических уровней (инверсная заселенность уровней). В этом состоянии внутренняя энергия системы больше, чем при бесконечно высокой температуре, и, следовательно, система имеет отрицательную температуру. [c.139]

Если равновесные состояния с инверсной заселенностью энергетических уровней и, следовательно, с отрицательной абсолютной температурой можно получить только у необычных систем, которыми являются лишь спиновые системы, то стационарные неравновесные состояния с инверсной заселенностью уровней можно непрерывной подкачкой создать и у обычных систем. Это осуществляется в таких усилительных установках, как мазеры. Очень часто, говоря об инверсной заселенности энергетических уровней, употребляют понятие отрицательной абсолютной температуры, однако это лишь условное терминологическое понятие, поскольку инверсная заселенность уровней еще не есть состояние с отрицательной температурой. Необходимо, чтобы система находилась в равновесном состоянии при инверсной заселенности уровней, как это наблюдается в спиновых системах. [c.141]

Инверсная заселенность уровней. Как увидим в дальнейшем, систему, энергетические уровни которой удовлетворяют определенным условиям, можно перевести в состояние с инверсной населенностью уровней. Процесс перевода системы в инверсное состояние называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами. При оптической накачке атомы, поглощая излучение, переходят в возбужденное состояние. При электрической накачке (например, в газообразной среде) атол ы переходят в возбужденное состояние благодаря неупругим столкновениям атомов с электронами в газовом разряде. В этой связи следует еще раз отметить идею В. А. Фабриканта, выдвинутую в 1939 г., сущность которой заключалась в том, чтобы с помощью спеи,иальных молекулярных примесей избирательно исключить некоторые нижние энергетические состояния, в результате чего осуществилась бы инверсная заселенность. [c.382]

Инверсное состояние иногда называют состоянием с отрицательной температурой . Происхождение этого формального названия М0Ж1Ю объяснить, пользуясь формулой Больцмана, которая определяет относительную заселенность энергетических уровней С1кле. ы, находящейся в термодинамическом равновесии. В этом случае, как следует из (17.4), [c.382]

Формально такое неестественрюе распределение атомов по энергетическим уровням, называемое инверсией заселенности, может бьггь характеризовано введением некой отрицательной температуры. Однако представляется сомнительной целесообразность использования такого термина для описания этого сугубо неравновесного процесса. Важно отметить, что для создания инверсной среды всегда требуется дополнительная энергия, необходимая для перекачки атомов на избранные возбужденные уровни, заселенность которых затем уменьшается в основном за счет вынужденного излучения. В определенных у( ловиях опыта этот процесс может быть использован для когерентного усиления сигнала или генерации почти монохроматического излучения. [c.430]

Соотношение между концентрациями атомов, соответствующее неравенству NJgm > N Jgn, называют инверсной заселенностью энергетических уровней т, п. [c.775]

В качестве меры мощности процесса возбуждения, приводящего к инверсной заселеннее и пока неконкретизируемого, можно принять величину разности заселенности N 0 — Мпо, которая возникает в отсутствие излучения. Энергия, запасенная в среде и способная перейти в энергию излучения в результате вынужденных переходов, пропорциональна, очевидно, величине Ны[М,по — — Nno При достаточно больших значениях п(о)) вся указанная энергия превратится в энергию излучения, и взамен соотношений (223.3) будет выполняться равенство [c.777]

Для создания активной среды необходимо селективное возбуждение ее атомов, обеспечивающее инверсную заселенность хотя бы одной пары их энергетических уровней. Возможны различные способы создания -инверсной заселенности. Поскольку в предшествующем изложении подробно обсуждались процессы излучения и поглощения света, начнем с описания оптического метода селективного возбуждения атомов среды ). Примером оптического квантового генератора, в котором используется оптический метод возбуждения, может служить рубиновый лазер. Отметим, что этот генератор был исторически первым квантовым генератором, излучающим в видимой области спектра (Мейман, 1960 г.). [c.784]

На рис. 40.8 показаны осциллограммы интенсивности световых вспышек рубинового лазера и возбуждавшей его генерацию ксеноновой лампы. Для того чтобы эти две осциллограммы не накладывались друг на друга, ординаты одной из них (лазерной) отсчитываются вверх от горизонтальной оси временной развертки, а другой — вниз. Из сравнения осциллограмм видно, что генерация в рубине начинается не одновременно с началом световой вспышки ксеноновой лапмы, а только после обеспечения достаточной инверсной заселенности рабочих уровней ионов хрома. Излучение [c.787]

Срезы торцов рубинового стержня, используемого в данном случае, делаются косыми и, разумеется, неметаллизированными для того, чтобы при высокой инверсной заселенности уровней, т. е. при высоких значениях коэффициента усиления, сам кристалл не стал оптическим резонатором. [c.790]

Для метода оптического возбуждения существенно использование не менее трех энергетических уровнений атома (см. рис. 40.5). Важно также, чтобы уровень был долгоживущим (в трехуровневой системе), а уровни Ез — широкими. В самом деле, при использовании только двух энергетических уровней невозможно создать их стационарную инверсную заселенность за счет оптического возбуждения. Нарастание плотности потока возбуждающего излучения будет увеличивать и число актов поглощения фотонов, и число актов их индуцированного излучения. В результате даже при бесконечной мощности излучения заселенности энергетических уровней станут всего лишь одинаковыми, и их инверсная заселенность не будет достигнута. В том, что разность заселенностей — N2 не может изменить знак, легко убедиться при помощи общего выражения (224.3) для этой величины. [c.791]

Численное значение произведения NА(й пропорционально ширине спектральной линии, соответствующей переходу между уровнями с инверсной заселенностью, поскольку именно в этом участке спектра коэффициент усиления имеет большое значение. Если, например, iVA o = 10 с , чему соответствует 5,3 см" , то АТ = = 2л 10 с. Именно такие численные значения величин и имеют место в случае, приведенном на рис. 40.19. Теоретические оценки вселяют надежду на сокращение величины АТ еще в 10—100 раз. Иными словами, можно, по-видимому, создать волновой цуг, ссдеп-жащий всего несколько колебаний с периодом 2n/id = 3 10 с (А, = 1 мкм). [c.813]

Стимулированный аналог спонтанного комбинационного рассеяния, называемый вынужденным комбинационным рассеянием (или, сокращенно, ВКР), также заключается в исчезновении фотона Лео и испускании фотона ЙЫ5, но вероятность этого процесса пропорциональна плотности потока и возбуждающего (/) и рассеянного излучения. Благодаря этому процессу, рассеянное излучение с частотой 0)5 усиливается в рассеивающей среде по экспоненциальному закону, подобно усилению света в среде с инверсной заселенностью уровней в результате эйнщтейновского вынужденного испускания (см. 223). [c.855]

Согласно (35.14) при оптических переходах между двумя уровнями энергии усиление существует (кУ< >0) в том случае, если населенность верхнего уровня 2 пре-выщает населенность нижнего уровня П], т. е. осуществляется так называемое инверсное распределение частиц по уровням энергии (м2> 1). Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней принято называть активной. [c.272]

Примерный ход зависимостей и 2 от Дмцак, т. е. от интенсивности внешнего возбуждающего излучения, представлен на рис. 35.6. Число частиц на уровне 3 согласно (35.23) ничтожно мало, т. е. уровень 3 является своеобразным перевалочным пунктом, на котором частицы долгое время не задерживаются. Из рисунка видно, что по мере роста ц ак значение 2 быстро растет, а значение 1 уменьшается. В отличие от двухуровневой системы в данном случае число частиц на исходном уровне 1 может снизиться до нуля, а все п частицы могут сосредоточиться на метастабильном уровне 2. После точки пересечения кривых 2( пак) и [( нак) возникает инверсная заселенность уровней ( 2> 1)- Кривые пересекутся при [c.276]

Перейдем к рассмотрению процесса генерации. Образование инверсной заселенности еще не гарантирует высокой интенсивности светового потока, выходящего из активного вещества. Степень усиления зависит от коэффициента усиления кус и длины активного слоя I. В простом виде эту зависимость можно представить следующим образом ( = оехр(/ ус/), где о — интенсивность света, падающего на поглощающий слой вещества щ — интенсивность света, выходящего из него /гус = = —йпогл. Если бы удалось сильно увеличить длину активного стержня, то излучение, выходящее из его торцов, было бы весьма интенсивным, причем оно существовало бы даже, если бы и не было внешнего потока. Первичным источником была бы люминесценция, многократно усиленная при прохождении большой длины усиливающего слоя (это явление называют сверхлюминесценцией). [c.277]

Упрощенная схема энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 35.16. Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для увеличения эффективности накачки. Возбуждение атомов неона происходит в результате их столкновений с электронами газоразрядной плазмы, что отмечено на рис. 35.16 пунктирными вертикальными стрелками. При определенном режиме разряда этот процесс может привести к инверсной заселенности уровней Е и Дг, что даст генерацию с 2=1150 нм. Однако заселенность уровней 3 и Е, а также уровней 3 и 4 остается неинверсной. [c.289]

Спонтанная люминесценция может описываться различными схемами переходов. Наряду со схемой, показанной на рис. 8.1, б, могут быть реализованы схемы, показанные на рис. 8.1, S, г. Все они согласуются с правилом Стокса. Заметим, что четырехуровневая схема, представленная на рис. 8.1, г, широко используется для осуществления лазерной генерации. В SToii схеме достаточно легко реализуется инверсная заселенность уровней 1 и 2. [c.188]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...