Инверсная населенность

Действительно, согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии всегда < п , и так как = В ъ то числа переходов в единицу времени из состояния Ei в состояние Ео и наоборот будут одинаковыми. Следовательно, изменение числа атомов в основном и возбужденном состояниях благодаря вынужденным переходам не произойдет, т. е. каким было отношение njn , таким оно останется при взаимодействии света с атомом, если, конечно, имеем дело, как об этом говорили, двумя энергетическими уровнями атома — основным Е и возбужденным Е . Таким образом, чтобы получить инверсную населенность, нужно использовать три энергетических уровня активной среды или более. [c.382]

Существует несколько способов импульсного уменьшения потерь. Призму полного внутреннего отражения вращают вокруг оси, перпендикулярной к ребру А и лежащей в плоскости чертежа (на рис. 40.9 она показана пунктиром), с угловой скоростью около 500 об/с. Начальную фазу вращения подбирают таким образом, что призма занимает рабочее положение через заданный промежуток времени после включения ксеноновых ламп, когда инверсная населенность уровней ионов хрома велика. [c.790]

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]

По трехуровневой схеме работают твердотельные лазеры на кристаллах рубина. Рубин — это кристалл корунда АЬОз с примесью ионов хрома Сг +. Инверсная населенность и индуцированные переходы осуществляются здесь между уровнями хрома. [c.317]

В полупроводниковых лазерах наиболее распространенным методом создания инверсной населенности является инжекция неравновесных носителей заряда через р-/г-переход. Электронно-дырочный переход (р-п) — это переходная область, с одной стороны которой полупроводник имеет дырочную (р) проводимость, а с другой — электронную п). Необходимо отметить, что речь идет об одном образце, а не о контакте между двумя образцами р- и rt-типа. [c.317]

При образовании р-л-перехода электроны из /г-области диффундируют в р-область, а дырки из р-области в л-область. В результате этого в р-области вблизи р-л-перехода образуется отрицательный объемный заряд, а в области л-типа— положительный заряд. Таким образом возникает электрическое поле р-л-перехода, которое препятствует дальнейшей диффузии носителей. Объемные заряды приводят к смещению энергетических зон. Результирующая энергетическая диаграмма р-л-перехода показана на рис. 9.10. Условия инверсной населенности означают, что верхние уровни должны быть заполнены более чем наполовину по отношению к нижним. [c.317]

Излучение, возникающее при переходах с верхних уровней на нижние, является спонтанным. В среде с инверсной населенностью это спонтанное излучение индуцирует дополнительные переходы. Для того чтобы создать квантовый генератор, в среде с инверсной населенностью необходимо обеспечить условия автоколебательного режима. Такой режим достигается за счет помещения активной среды, т. е. вещества, в котором создается инверсная населенность, -В резонатор, выполняющий роль положительной обратной связи. Резонатор обеспечивает также пространственную и временную когерентность излучения. Простейший резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала, одно из которых является полупрозрачным. В рубиновом лазере резонатором служат отполированные торцы рубинового стержня, покрытые тонким слоем металла, в полупроводниковом инжекционном лазере на арсениде галлия— это тщательно полированные боковые грани, перпендикулярные плоскости р-и-перехода. [c.318]

Инверсная населенность 316 Индексы Миллера 21 Интеграл обменный 79 [c.382]

Лазер на кристалле рубина работает обычно в импульсном режиме. Различают два режима работы рубинового лазера режим свободной генерации и режим с модуляцией добротности. Работа рубинового лазера в режиме свободной генерации продолжается до тех пор, пока интенсивность излучения импульсной лампы не станет слишком малой и уровень инверсной населенности не упадет ниже порогового. Обычно стандартные рубиновые кристаллы длиной в несколько сантиметров при диаметре 1 с.м позволяют получить в этом режиме полную энергию в импульсе излучения порядка нескольких джоулей. Длительность самого импульса генерации при этом измеряется миллисекундами и, следовательно, средняя мощность излучения генератора порядка нескольких киловатт. [c.283]

Если лазерное излучение проходит через среду с инверсной населенностью, то оно усиливается вследствие вынужденных переходов с испусканием молекул, атомов [c.284]

Временная зависимость выходного излучения рубинового лазера, работающего в режиме свободной генерации, обычно представляет собой хаотические пульсации (пички), которые не воспроизводятся от одного импульса лазера к другому. Генерация начинается не сразу после включения лампы-вспышки, а с некоторой задержкой. Это связано с тем, что для возникновения генерации необходимо выполнить условие самовозбуждения, т. е. создать достаточную инверсную населенность (пороговую населенность) в системе рабочих уровней. Энергия лампы-вспышки от момента ее включения до момента начала генерации расходуется именно на создание такой пороговой населенности. Типичные осциллограммы излучения рубинового лазера, работающего в режиме свободной генерации, приведены на рис. 35.13. [c.287]

ЧТО соответствует так называемой инверсной населенности уровней / и 2. В настоящее время имеется целый ряд методов получения инверсной населенности в различных средах. Два из них, используемые в рубиновом лазере и лазере на гелий-неоновой смеси, подробно описаны в задачах 18 и 19. [c.280]

При отсутствии излучения на частоте рассматриваемого перехода инверсную населенность можно определить, зная скорость возбуждения и скорость релаксационных процессов, которые стремятся вернуть вещество а состояние термодинамического равновесия (к числу таких процессов относится, в частности, спонтанное [c.288]

ХОДОВ становится сравнимой или превыщает скорость процессов релаксации, происходит значительное уменьшение инверсной населенности и коэффициента усиления. Расчет дает следующую зависимость коэффициента усиления от плотности излучения [c.289]

При исследовании явления насыщения усиления мы рассматривали взаимодействие среды с бегущими световыми волнами. В действительности, при достаточно высоких коэффициентах отражения зеркал, поле в резонаторе может быть близко к стоячей волне. Если подвижность атомов ограниченна (например, в твердых телах), то инверсная населенность и коэффициент усиления в узлах стоячей волны будут больше, чем в пучностях. Поскольку для разных продольных мод положения узлов различны, то и при однородном уширении каждая из них использует в какой-то мере свой запас инверсной населенности. Это может привести к тому, что и в случае однородного уширения генерация лазера будет [c.292]

Схема энергетических уровней ионов Сг+ в кристалле рубина и получение инверсной населенности [c.295]

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]

Нерегулярный, хаотический характер пичков, наблюдающийся в реальных случаях, можно объяснить следующим образом. Каждая мода имеет определенную пространственную структуру и черпает энергию в основном в тех областях кристалла, где напряженность ее поля велика. Поэтому каждая мода обладает в какой-то степени своим запасом инверсной населенности. Опыт показывает, что в каждом пичке происходит возбуждение малого количества продольных мод и в большинстве случаев лишь одной поперечной моды. Перескок генерации с одних мод на другие приводит к неравномерности временных интервалов, разделяющих пички, и к хаотическим пульсациям их интенсивности. Значительную роль в нарушении регулярности пичков играют пространственно-временные флуктуации накачки и неоднородности кристалла, вследствие которых различные участки кристалла не дают одновременной генерации. Спектральная ширина излучения отдельного пичка составляет 0,01—0,05 см . Полная спектральная [c.297]

Развитие генерации сопровождается быстрым уменьшением инверсной населенности. Вследствие этого АМ не может значительно превысить АЛ пор и разность AN—АЛ пор оказывается очень мала. Следовательно, в каждом пичке происходит высвечивание лишь небольшой доли всех активных центров. Если искусственно [c.298]

Механизм создания инверсной населенности в гелий-неоновой смеси [c.302]

Активной средой гелий-неонового лазера является смесь газов Не и Не при полном давлении 130 Па. Парциальное давление Не берется в несколько раз больше, чем давление Пе. Генерация осуществляется на спектральных переходах Ые. Гелий используется для создания инверсной населенности уровней Ые (см. стр. 303). Для возбуждения среды применяется газовый разряд. [c.302]

Возбуждение уровней 25 и Зз приводит к созданию инверсной населенности этих уровней по отношению к ниже расположенным уровням 2 р и 3 р. Генерация на переходах, обозначенных буквами а, Ь и с, соответствует спектральным диапазонам 2,8—4,0, 0,59—0,73 и 1,1—1,5 мкм. В первую очередь генерация развивается на наиболее интенсивных линиях [c.303]

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]

В настоящее время инверсная населенность и генерация в газообразной среде получены более чем на 6000 переходов. Газовые лазеры работают в очень широком диапазоне длин волн — от вакуумного ультрафиолета до инфракрасной области спектра — как в импульсном, так и в непрерывном режиме. [c.895]

Методы создания инверсной населенности [4]. Специфика газов проявляется и в многообразии физических процессов, применяемых для создания инверсной населенности. К их числу относятся возбуждение при соударениях в электрическом разряде, химическое возбуждение, фотодиссоциация, газодинамические процессы, оптическая накачка, электронно-лучевое возбуждение. [c.895]

Оптический квантовый генератор — лазер является автоколебательной системой с распределенным отрицательным сопротивлением. Последнее создается средой с инверсной населенностью. [c.360]

Обычно ДЛЯ газовых лазеров время установления инверсной населенности много меньше времени установления амплитуды колебаний. Поэтому можно считать, что поляризация Рп( ) успевает следовать за амплитудой электрического поля. В этом случае укороченные уравнения для амплитуды и фазы /г-й моды имеют вид [c.362]

Из-за инерционной нелинейности лазера компоненты поляризации С и 5 зависят от амплитуды электрического поля Е . Эта зависимость определяется механизмом создания инверсной населенности среды и характером уширения спектральной линии активного вещества. Если напряженность электрического поля в резонаторе невелика (лазер работает вблизи порога самовозбуждения), то в разложении С и по амплитудам поля можно ограничиться членами третьей степени, т. е. [c.362]

Стационарная амплитуда ц тем больше, чем больше превышение усиления над потерями. Кроме того, (, зависит от коэф-фициента нелинейности р. Этот коэффициент определяет уменьшение инверсной населенности, связанное с насыщением активной среды, вызванным колебаниями генерируемой моды. Частота генерации (О отличается от собственной частоты резонатора на величину (т + () о. Коэффициент а пропорционален разности между собственной частотой резонатора и частотой спектральной линии атомного перехода. Поэтому он создает линейное подтягивание генерируемой частоты к частоте атомного перехода. Аналогичное явление было рассмотрено в 10.2. Нелинейный член р р дает зависящее от амплитуды смещение частоты. [c.363]

Рассматривая принцип действия лазера, было принято, что уровень 2 начальный, а уровень 1 конечный данного лазерного перехода. Создание состояния инверсной населенности в двухуровневой системе с помощью внешней накачки весьма затруднительно вследствие равенства В 2 = 21- Для получения инверсной населенности Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была предложена трехуровневая система (рис. 33, а). При интенсивной накачке происходит поглощение, вызывающее переходы с основного уровня / на уровень 5, вследствие чего уменьшается населенность уровня I и возрастает населенность уровня 3. Спустя некоторое время, часть частиц возвращается на уровень /, а часть переходит на уровень 2. При этом скорость перехода частиц с уровня 3 на уровень 2 больше, чем с уровня 2 на уровень 1. В результате на уровне 2 происходит накопление [c.62]

Так как общая концентрация ионов активатора А/ /V + -I Ь Л/я, чтобы получить инверсную населенность Л 2> надо возбудить больше половины их накачкой очень высокой интенсивности. [c.64]

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]

Из npo Tt>ix соображений следует, что для двухуровневой системы с помощью оптической накачки нельзя получить инверсную населенность. [c.382]

Ситуация, однако, изменится, если в системе создать условия, при которых П2>П1. о таком состоянии говорят как о состоянии с инверсной населенностью. В этом случае процесс испуска- [c.316]

При спонтанных переходах фотоны излучаются равновероятно во всех направлениях. Однако те фотоны, которые распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости зеркал, отражаются от них и снова направляются в среду с инверсной населенностью. Выполняя роль пндунирующего излучения, они вызывают вынужденные переходы, затем повторно отражаются от зер-.318 [c.318]

Оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры, дают мощное когерентное излучение, которое невозможно получить при использовании обычных источников света. Если раньше когерентное электромагнитное излучение получалось и широко использовалось только в радиодиапазо не, то с появлением лазеров сфера его применения распространилась и на оптический диапазон спектра. Действие ОКГ основано на явлении вынужденного излучения, которое было открыто Эйнштейном в 1917 г. Идея использования этого явления для усиления света в среде с инверсной населенностью энергетических уровней принадлежит В. А. Фабриканту (1939). Первые квантовые генераторы были созданы в 1954 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США. В них использовалось вынужденное излучение возбужденных молекул аммиака на длине волны А,= 1,27 см. В 1960 г. был создан лазер на кристалле рубина, работающий в видимой области спектра (А = 694,3 нм), а в 1961 г. — лазер на смеси газов гелия и неона. В настоящее время имеются самые разнообразные типы лазеров, использующие в качестве рабочих сред газы, жидкости и твердые тела. Мощное и высококогерентное излучение ОКГ находит широкое применение в различных областях науки и техники. [c.278]

Определенную роль в возбуждении верхних уровней 2 и Зл и создании инверсной населенности играет и непосредственное электронное возбуждение этих ур овней из основного состояния. Что касается уровней 2р к Зр, то для них эффективное сечение возбуждения из основного состояния меньше, чем для уровней 2s и Зл, поскольку р-уровни не связаны дипольными переходами с основным состоянием, имеющим ту же четность [c.304]

При наличии инверсной населенности уровней энергии 2 и i активной среды ( 2> i), т. е. при выполнении условия N2lg2>N)gi (Ni, Nu 2, g — населенности н кратности вырождения уровней 2, i) вынужденное излучение превалирует над поглощением и свет с резонансной частотой ш = 2— i/h усиливается при прохождении через среду. Усиленный таким образом свет люминесценции активной среды называют излучением сверхлюминесценции. Для возникновения генерации вводят положительную обратную связь, располагая активную среду в оптическом резонаторе, который в простейшем случае представляет собой два параллельных зеркала. Одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным для частичного вывода излучения. Пространственное распределение поля генерируемого излучения соответствует собственным колебаниям резонатора, называемым модами. Различают продольные и поперечные моды, относящиеся к распределению поля вдоль оси резонатора и в плоскости, перпендикулярной оси. Искусственное снижение добротности резонатора позволяет достичь значительного коэффициента усиления активной среды без возникновения генерации. Последующее быстрое включение добротности приводит к генерации мощных световых импульсов малой длительности (гигантских импульсов). [c.895]

Коэффициенты р , б т, ст , р и т т для газового лазера рассчитаны Лэмбом ). При расчете предполагалось, что активная среда может рассматриваться как двухуровневая система, обладающая инверсной населенностью. Величины коэффициентов, входящих в соотношения (11.4.8), зависят от собственных частот резонатора от степени инверсии населенности, от времени релаксации верхнего и нижнего рабочих уровней и от ширины линии поглощения. С учетом (11.4.8) укороченные уравнения для амплитуды и фазы я-й моды лазера примут вид [c.362]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...