Заселенность уровней инверсная

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]

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]

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]

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]

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]

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]

Нетрудно видеть, что инверсная заселенность уровней возникает вблизи / -и-перехода, включенного в проходном направлении. При соответствующих характеристиках р-и-перехо-да протекающий сквозь него ток возбуждает испускание света. [c.364]

Инверсное заполнение уровней. Разность Д числа переходов частиц с нижнего уровня на верхний и с верхнего на нижний при прохождении через систему N квантов света пропорциональна вероятности переходов w, одинаковой для обоих процессов, числу квантов N (плотности излучения р) и разности заселенностей уровней ( 2— 1) [c.334]

Для того чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо нарушить термодинамическое равновесие системы, заселив верхний уровень более плотно, чем нижний, т. е. сделав пг>п . Такое заселение называют инверсным, а систему или среду с инверсным заселением уровней называют активной. [c.334]

До сих пор мы рассматривали возможность создания инверсной заселенности в среде, не учитывая полной структуры энергетических уровней частиц и формально описывая взаимодействие между ними путем введения скоростей заселения уровней М и М . [c.30]

Наиболее простая трехуровневая система получения инверсной заселенности представлена на рис. 1.7, а. Инверсия создается в ней между метастабильным уровнем 2 и основным уровнем 1. Заселение уровня 2 осуществляется через уровень 3 путем безызлучательного релаксационного перехода 3 2, происходящего с вероятностью 5з2- Остальными безызлучательными переходами для простоты пренебрежем. Их учет не изменит правильности конечного результата. Если обозначить вероятности прямых и обратных переходов между уровнями 7 и 5 и 7 и 2 соответственно Wn, Wi, W12 и W2, [c.30]

Так как нижний рабочий уровень не является основным, то инверсия определяется относительной заселенностью уровней /, 2 и в отличие от трехуровневой системы для ее получения не требуется высокая абсолютная заселенность верхнего уровня. Это обстоятельство позволяет получать инверсную заселенность в среде при значительно меньших мощностях накачки. Примером активной частицы лазера с четырехуровневой системой возбуждения могут служить молекулы СО2, СО в газовых лазерах, ионы неодима в твердотельных системах и др. [c.33]

При газодинамическом способе инверсная заселенность среды получается за счет различных времен релаксации верхнего и нижнего лазерных уровней, происходящей при резком расширении предварительно нагретого рабочего тела с равновесной заселенностью уровней. Он отличается от других способов возбуждения тем, что преобразование тепловой энергии в энергию излучения осуществляется непосредственно, без использования электрической энергии. Благодаря возможности получения больших расходов смеси газодинамический способ накачки используется при создании технологических лазеров повышенной мощности. [c.34]

Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне . Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне е было больше числа атомов на нижнем уровне е , между которыми происходит переход. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был "заселен больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется "активным", или состоянием с инверсной (обращенной) заселенностью. Для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомогательное излучение (подкачка). [c.202]

Основной способ создания инверсной заселенности уровней неона — передача возбуждения от метастабильного атома гелия [c.43]

Многие достоинства неодимового стекла определяются особенностями энергетических состояний имеющихся в нем ионов неодима. Главная особенность состоит в том, что в отличие от рубина, энергетические переходы неодима соответствуют четырехуровневой схеме (рис. 4.5). Четырехуровневая схема отличается от трехуровневой тем, что стимулированное излучение в ней происходит при переходе активных частиц между уровнями 3 я 2, т которых уровень 2 расположен несколько выше основного уровня 1. Для исключения заселения уровня 2 активными частицами, т. е. обеспечения условий создания инверсной населенности уровня 3 по отношению к уровню 2, должно соблюдаться условие E2—Ei >kT. Практически систему можно считать четырехуровневой, если [c.165]

Если величина в круглых скобках в выражении (5.22) положительна, имеет место инверсное заселение уровней, которое характеризуется тем, что в высшем энергетическом состоянии находится большее число атомов, чем в нижнем. [c.127]

Работа лазера происходит при наличии инверсной заселенности уровней, для достижения которой в твердотельных оптических квантовых генераторах используется преимущественно так называемая оптическая накачка (т. е. воздействие световым излучением большой интенсивности). В оптических генераторах, в которых активной средой является газ, инверсная заселенность образуется в результате столкновений частиц в плазме газового разряда. [c.128]

Отметим, что в литературе величина Г (6.12), имеющая размерность см" , называется стационарным коэффициентом усиления или просто коэффициентом усиления ФРК. Последнее, очевидно, связано с тем, что, с точки зрения слабого сигнального пучка, при Г >0 образец ФРК, освещаемый мощным пучком накачки, является аналогом активной усиливающей среды с инверсной заселенностью уровней. Вместе с этим следует иметь в виду, что подобные усилители на основе ФРК требуют достаточно узкополосной накачки. Для эффективной их работы частотное рассогласование между сигнальным и опорным пучками Ао) не должно превышать (Ts — характерное время записи голограммы при данных условиях). [c.110]

При каких условиях свет при прохождении через среду ослабляется проходит без ослабления усиливается Как эти условия реализуются Опишите трехуровневый механизм создания инверсной заселенности уровней. Какие при этом требования предъявляются к энергетическим уровням [c.311]

Непрерывные и импульсные лазеры. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой. Накачка лазеров может быть самой разнообразной и будет рассмотрена в связи с конкретными типами лазеров. По характеру зависимости накачки от времени она может быть непрерывной и импульсной. Если накачка осуществляется импульсами, то и излучение лазера импульсное. После начала импульса накачки начинает изменяться заселенность уровней. Когда достигаются условия порога генерации (52.4), начинается испускание лазерного излучения (рис. 211). [c.314]

В условиях теплового равновесия большинство частиц находится на нижнем энергетическом уровне, а случайно возбуждаемые освобождаются от избытка энергии спонтанным излучением. Для работы лазера или мазера необходимо создать обратную (инверсную) заселенность энергетических уровней, т. е. добиться избыточной заселенности верхнего уровня. Электромагнитная волна с частотой / = А Х /к, проходящая через среду с обратной заселенностью уровней, стимулирует переход частиц в основное состояние, и ее энергия увеличивается за счет добавления квантов стимулированного излучения. На этом и основана работа квантовых генераторов и усилителей. [c.247]

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]

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]

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]

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]

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]

При выполнении обычных условий термодинамического равновесия распределение заселенностей отдельных энергетических уровней атомов происходит в соответствии с законом Больцмана (5.11). Если 1 2 > гЯх- то коэффициент усиления (5.23) отрицателен и интенсивность излучения после прохождения через слой атомов уменьшается. Наоборот, в среде с инверсной заселенностью уровней tiigi < n gi, коэффициент усиления (5.23) больше нуля и прошедшее излучение будет усиливаться за счет энергии возбужденных атомов. [c.127]

Для объяснения процесса накачки и создания инверсной заселенности уровней рассмотрим идеализированную схему энергетических уровней, изображенную на рис. 88. Индуцированное излучение с частотой vj, 2 в твердотельных лазерах образуется при переходе атомов с уровня 2 на уровень 1. Широкая зона 3 является вспомогательной и используется для создания инверсной заселенности. Конечная ширина этой зоны дает возможность использовать при возбуждении излучение с широким спектром. Возбужденные атомы быстро переходят с уровня 3 на уровень 2, причем этот переход происходит безызлучательно. При отсутствии воздействия внешнего стимулируюш его излучения возбужденные атомы переходят с уровня 2- в основное состояние спонтанно с излучением когерентного света. [c.128]

Наиболее простой путь создания инверсной заселенности осуществляется в трехуровневых системах (рис. 275). На рис. 215, а изображено распределение заселенностей в равновесном состоянии системы. При воздействии на систему излучением больщой мощности с частотой (о = (Ег — Eo)/fi заселенности уровней Ео и Ег при выполнении условия (51.17) практически фавниваются. Допустим, что время жизни атомов-на уровне Ег очень мало и они спонтанно переходят на уровень Е , время жизни на котором у них достаточно велико. Ясно, что атомы на уровне Е будут накапливаться, в результате чего создается инверсная заселенность между уровнями Е и Eq (рис. 275, б) Этот переход может быть использован для усиления света с частотой со = ( ", — Eq) / h. [c.311]

Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инберсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности. [c.314]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...