Инверсия заселенностей

Схема нижних колебательных уровней молекулы СО2 представлена на рис. 35.17. Инверсия заселенностей может создаваться между уровнями 4, з и 4, 2. Справа показан энергетический уровень молекулы азота, близкий к уровню 4 молекулы углекислого газа (разность между ними составляет 18 см" ). Генерация может возникать на переходах Е - Ез (Л=10,6 мкм) и Е - Ез (Я=9,6 мкм). В действительности, если учесть вращательные уровни, то ясно, что генерация состоит из двух серий линий с центрами при 1 = 10,6 мкм и Яг = 9,6 мкм. [c.291]

Среди молекулярных лазеров значительное место занимают газодинамические лазеры. Для генерации излучения в газодинамическом лазере предварительно нагретый газ очень быстро охлаждают путем приведения его в движение вплоть до сверхзвуковых скоростей. Принципиальная схема газодинамического лазера приведена на рис. 35.18. Вначале рабочий газ в нагревателе 1 нагревают до высокой температуры, затем он поступает в сопло 2, где ускоряется и охлаждается. При этом из-за различных скоростей дезактивации молекул с разным запасом энергии в газе может образоваться инверсия заселенностей уровней энергии, когда концентрация более возбужденных молекул превышает концентрацию менее возбужденных. Далее этот газ попадает в резонатор 3, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку. В резонаторе часть энергии, связанная с инверсией заселенностей уровней, превращается в направленное когерентное излучение, которое выходит через] полупрозрачное зеркало 4, образуя лазерный луч 5. [c.292]

Инверсия заселенностей в таких системах может создаваться между нижними колебательными уровнями верхнего возбужденного состояния 5] и верхними колебательными уровнями основного состояния 5о. Действительно, согласно распределению Больцмана (35.8) высокие колебательные уровни нижнего электронного состояния заселены крайне слабо. Поэтому даже если 1< о (Л), По — число частиц на уровнях 5] и 5о соответственно), число частиц на низких наиболее заселенных колебательных уровнях состояния 5] может быть больше числа частиц на высоких колебательных уровнях состояния 5о. В этом случае коэффициент усиления достаточно высок даже при малых концентрациях красителя. [c.293]

При определении условия образования инверсии заселенностей в полупроводнике для простоты рассмотрим идеальный полупровод- [c.296]

Как известно, наряду со спонтанными переходами частиц вещества возможны вынужденные переходы (переходы, инициированные излучением). Процессы вынужденного испускания будут преобладать над встречными процессами резонансного поглощения, если обеспечена инверсия заселенностей уровней частиц (если верхние уровни заселены более плотно, чем нижние) в этом случае генерируется вынужденное излучение. По своим свойствам, например по степени монохроматичности и направленности, вынужденное излучение существенно отличается от спонтанного (люминесцентного). Оно обладает более высокой когерентностью, нежели люминесцентное излучение. [c.186]

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]

Пусть В некоторой физической задаче существенную роль играет только ограниченное число энергетических уровней атома или молекулы — обычно два или три уровня, и по отношению к этим уровням создана инверсия заселенностей, т. е. число частиц на верхнем уровне больше, чем на нижнем. Пусть далее эта перенаселенность верхних уровней стационарно поддерживается путем подкачки частиц на верхний уровень. Тогда в некотором весьма условном смысле можно говорить об отрицательной температуре по отношению к этим уровням. Следует подчеркнуть, что, строго говоря, понятие температуры есть понятие термодинамики равновесных процессов и оно применимо в рассмотренных выше процессах с такими же оговорками, как, например, при рассмотрении стержня, один конец которого поддерживается более горячим, чем другой. [c.349]

X 10 Вт. Расчет мощности излучения по Максвеллу дает 1,02 X X 10" Вт. Если сравнивать полученные результаты с паспортными данными газового лазера ЛГ-55 Рп = 1,5 10 Вт), то видно, что максвелловское приближение в расчетах AN и Р претендует только на оценку инверсии заселенностей и выходной мощности, но не на их количественный расчет. [c.76]

Следовательно, когда коэффициент усиления (5.23) больше нуля, появляются предпосылки для возникновения генерации. Формально такому состоянию соответствует распределение Больцмана (5.11) с отрицательной абсолютной температурой. Поэтому иногда состояние с инверсией заселенностью уровней определяют как состояние с отрицательной абсолютной температурой. [c.127]

На практике работа некоторых газовых лазеров зависит от столкновений метастабильных атомов, дающих частичный вклад в инверсию заселенности излучающего состояния. [c.276]

О — нормированная инверсия заселенности. [c.16]

Рассмотрим теперь левую часть неравенства (2.3). Чтобы удовлетворять условию (2.3), необходимо иметь разность (Яа— 1)> т. е. инверсию заселенностей, как можно большей. Объем V должен быть как можно меньше или же, если рассматривать отношение инверсии к объему, то достаточно большой должна быть плотность инверсии. Множитель V следовало бы иметь как можно меньше, но поскольку в каждом случае желательно получить генерацию света на определенной длине волны, величина фиксирована и не может быть изменена. Однако мы видим, что с увеличением частоты становится все более трудным обеспечить выполнение порогового условия генерации, что делает чрезвычайно сложным создание рентгеновского лазера. Как ширину атомной линии так и спои- [c.39]

В разд. 2.3 мы обсудим различные механизмы накачки, с помощью которых может быть достигнута необходимая величина инверсии заселенностей. [c.40]

Как можно осуществить лазерную генерацию в таком кристалле Для этого нам нужно создать инверсию заселенности, т. е. возбудить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Такой пример схематически показан на рис. 2.26. В силу только [c.58]

Рис. 2.26. Когда часть электронов возбуждается оптически или за счет электронных столкновений, то они занимают уровни в зоне проводимости, тогда как в валентной зоне остаются незанятые уровни (дырки). В результате может возникать инверсия заселенности.

ЧТО упомянутого правила отбора по к электроны могут переходить из зоны в зону независимо друг от друга, так что большая инверсия заселенности может быть создана, если мы только переведем достаточную часть электронов в верхнюю зону, т. е. в зону проводимости. Экспериментально такая инверсия заселенности может быть получена путем облучения кристалла пучком электронов с достаточно высокой энергией. В результате электроны валентной зоны выбиваются в зону проводимости, где они собираются на ее дне. В большинстве практических приложений используются, однако, другие механизмы накачки. Если имплантировать в кристалл примесные центры, то не только создаются новые энергетические уровни, но также сдвигаются валентная зона и зона проводимости. Когда в различные области кристалла введены различные сорта [c.58]

Поскольку в уравнения (4.1) — (4.3) входит разность чисел заполнения, т. е. инверсия заселенностей N2—будем ее рассматривать как новую переменную [c.80]

Решая это уравнение относительно инверсии заселенностей О, получаем [c.81]

Выражение (4.15) показывает, что с увеличением числа фотонов фактическая инверсия заселенностей О уменьшается по сравнению с инверсией Оо, определяемой только накачкой и процессами релаксации, Иначе говоря, происходит насыщение инверсии заселенностей. Наиболее ясно это, когда число фотонов п еще мало. В этом случае выражение (4.15) можно заменить приближенным равенством [c.81]

Таким образом, уравнение (6.72) описывает зависящую от времени модуляцию инверсии заселенностей. Этот эффект можно назвать пульсацией инверсии. Подобный эффект не могут дать скоростные уравнения, поскольку в них не учитываются никакие фазовые соотношения. Возникает вопрос в каких случаях можно пренебречь пульсациями Запишем сначала явные выражения для и [c.156]

Для члена, пропорционального п, который обусловлен независящей от времени инверсией заселенностей атомов, наблюдается следующее. Та часть коэффициента с, которую дает второй член в больших скобках в выражении (6.109), совпадает с полным выражением для С в формуле (6.37), если не считать численного множителя, который тоже возник в результате интегрирования по углам поляризации. Этот второй член в с в общем случае, т. е. при не слишком больших расстройках частоты (6 < 1), намного меньше первого члена, который описывает отталкивание частоты вследствие существования двух провалов, образующихся в инверсии заселенностей (заметим, что стоячая волна взаимодействует с атомами, частоты которых сдвинуты на + kv и — kv ). Отталкивание частоты становится преобладающи.м, если мода настроена на центр линии с точностью до естественной ширины. Подставляя выражение (6.107) для п в (6.108), получаем в качестве окончательного результата сдвиг частоты [c.166]

Но это точно та самая скорость перехода, которую мы ввели в гл. 4 феноменологически. Единственная разница в том, что частоты мод являются действительными частотами генерирующих мод, а не частотами мод незаполненного резонатора, как мы предполагали ранее в гл. 4. Чтобы получить уравнения для инверсии заселенностей, проведем вычисления аналогичным образом, а именно подставим выражение (6.112) в уравнения (5.117) для инверсии и снова предположим, что выполнено усреднение по фазам. Это сразу же приводит к уравнениям [c.168]

В предыдущем разделе мы исследовали влияние инжектируемого когерентного светового поля. Мы рассматривали случаи, когда инверсию заселенности и поляризацию атомов можно исключить и уравнения для лазера сводятся к довольно простому уравнению для одной лишь величины Ь (или S ). В этом разделе мы откажемся от адиабатического приближения и будем рассматривать полную [c.224]

Иерархия нестабильностей 203 Инверсия заселенностей 80 [c.344]

Величина Е. д/д1)Р. представляет собой мощность, переданную от поля среде в единице объема (ср. ч. I, 1.3) в соответствии с этим величина /% )Е. д/д1)Р. есть число фотонов, энергия которых передается среде в единицу времени в единице объема при поглощении (излучении) энергии ЙО в единице объема инверсия заселенностей изменяется на +2 (—2) поэтому в пренебрежении релаксацией уравнение (2.36-13) представляет собой не что иное, как закон сохранения энергии для всей системы, состоящей из поля и среды. [c.261]

Уравнения для инверсии заселенностей, поляризуемостей и поляризации при многофотонных процессах [c.262]

Если существуют различия в ориентациях молекул, то в правой части следует снова выполнить усреднение по ориентациям. Поляризация определится выражением P = QE. Соответствующее уравнение для математического ожидания инверсии заселенностей имеет вид [c.263]

Импульсы обобщенные 3.4, 21.6 Инверсии кривая 1.15 Инверсия заселенности 15.1—15.8 [c.633]

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]

Из этой формулы видно, что среда может являться усилителем излучения, или обладать отрицательной абсорбцией, если разность ik i - BkiNk больше величины -AikNi p v,Т). Это условие будет во всяком случае выполнено, если создана инверсия заселенностей [c.466]

Система кинетических уравнений решалась совместно с газодинамическими уравнениями, в результате чего находились все термогазодинамические характеристики потока, включая колебательную температуру кислорода и инверсию заселенностей молекулы СО2 между асимметричными и симметричными колебательными уровнями (00° 1—10°0). [c.107]

Пусть Явх(0 —мгновенная мощность сигнала, поступающего на вход усилителя Явых(0 —мощность импульса на выходе усилителя Go — усиление слабого, ненасыщающего сигнала на один проход усилителя непосредственно перед приходом импульса и Та — время прохождения через усилитель. Далее, пусть Wo — полная энергия, которую атомы, находящиеся в усилителе в инвертированных состояниях, запасли перед поступлением импульса Wo = hv/ NI2, где AN — инверсия заселенности. Предположим, что длительность импульсов меньше времени накачки, и пренебрежем любым вкладом в инверсию за время прохождения импульса. Тогда, интегрируя входной и выходной импульсы, получаем энергию в импульсах, причем интегрирование проводится до момента т [c.261]

Насьвдение усиления, которое в лазерах с неоднородно уширенными переходами приводит к образованию провалов, когда мощность ограничена областью частот, малой по сравнению с неоднородной шириной линии [45], исследовалось экспериментально для линии 3,392 мк в гелий-неоновом лазере [46]. Было установлено, что для неона переход 3 2 — З/74 соответствует длине волны X = 3,392 мк и что этот переход начинается с того же самого верхнего уровня, что и переход с X = 6330 А. Наблюдавшееся усиление (50 дб/м) было приблизительно в 65 раз больше соответствующего усиления на переходе с X = 6330 А. Большее усиление объясняется тем, что при X = 3,392 мк допплеровская ширина линии в 5,4 раза уже, инверсия заселенности в 2,5— 3 раза больше и сила осциллятора в 4—5 раз больше, чем для перехода на длине волны X = 6330 А. [c.263]

Если все состояния рассматриваемой системы не вырождены (т. е. 1=1), например, колебательные состояния двухатомной молекулы, то наиболее заселены состояния с низкими энергиями Ег, причем максимально заселено состояние ,о- По мере повышения температуры растет относительная заселенность состояний с более высокими значениями Ег за счет обеднения основного и низколежащих состояний. Легко показать, что для равиовесного состояния газа заселенность уровня ,+1 не может быть больше заселенности уровня <, если для них =1. Следует помнить, что для неравновесных процессов мол<ет и.меть место инверсия заселенности состояний (т. е. Ni+l >Ni), что, например, с успехом используется в лазерах (см. раздел II, 10). [c.36]

Возбужденное состояние молекулы азота N2 является ме-тастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы СО2. Ввиду метастабильности возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N20 СО2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N2 к СОг- Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул СО2. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеег большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па). [c.324]

Сверхпзлучение наблюдалось под воздействием ультракоротких импульсов лазерного пзлученпя видимого и инфракрасного диапазонов частот. В первом случае инверсия заселенностей происходила за счет электронных переходов в атомах, а во втором случае — за счет вращательных переходов в молекулах [ДО]. Экс- [c.183]

И]. Возможность создания таких лазеров базируется на трех основных предположениях. Первое предположение для того чтобы иметь возможность реализовать инверсию заселенностей в коротковолновом (дальнем ультрафиолетовом и рентгеновском) диапазоне частот, надо использовать переходы между электронными возбужденными состояниями в спектрах многозарядных ионов, лежащие в указанном диапазоне длин волн. Второе предположение в лазерном факеле можно получить плазму столь высокой температуры, что доля многозарядных ионов может быть весьма пелика. Третье предположение при рекомбинации плазмы, исходно состоящей из многозарядных иоиов и свободных электронов, оффективная степень заряда постепенно уменьшается при этом можно подобрать такой конкретный вид ионов, для которых в процессе рекомбинации создается узкое горло на определенном переходе, т. е. число ионов с зарядом 2 4-1 будет больше числа ионов с заридом 2. Это и есть среда с инверсной заселенностью, необходимаи для реализации стимулированного излучеиия. Реализация этих идей позволила создать ряд. тазе-ров, в том числе излучающих и в коротковолновом диапазоне частот [12]. [c.258]

Тогда, согласно формуле (4.23), будет наблюдаться экспоненцналь-ный рост числа фотонов. Иными словами, мы имеем дело с неустойчивостью . Спонтанно образованные фотоны размножаются в процессе вынужденного излучения как лавина. Разумеется, число фотонов не возрастает экспоненциально до бесконечности, поскольку в формуле (4.23) становится существенным квадратичный член, в связи с чем правая часть равенства (4.23) начинает стремиться к 0. Это означает, что и с1п/(1( стремится к О, и в конце концов мы приходим к стационарному состоянию с п = п . Из (4.16) можно легко усмотреть, что квадратичный член обусловлен насыщением инверсии заселенности. Именно насыщением определяется возможность достижения стационарного значения. Если начать с числа фотонов , превытаюи1,сго стационарное значение п , то будет преобладать второй член в (4.23). В этом случае правая часть равенства (4.23) отрицательна. Следовательно, число фотонов убывает и в конце концов становится равным стационарному значению п . Эти результаты показаны на рис. 4.3. Полное решение уравнения (4.23), зависящее от времени, приведено в упражнении [c.84]

Уравнения для инверсии заселенностей и поляризации при однофотониых процессах [c.260]

Первый генератор с газообразным рабочим веществом (смесь Пе о Ne) был построен Джаваном, Беннетом и Херриотом [12]. В этой системе для создапия состояний с инверсией заселенности используются 20 верхние уровни атомов неона 2.5 (рис. 5). Передача возбуждения в эти состояния производится с возбужденного уровня атомов гелия Z S, очень близкого к уровням неона 2s, при соударении Соотношение вероятностей передачи возбуждения при соударении атомов Но с Ne и вероятностей переходов о уровней Ne 2s на уровни 2р и переходов с уровней 2р на [c.528]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...