Для создания лазера необходимо получить инверсию между какой-либо парой уровней в активной среде. Механизм, с помощью которого создается инверсия, называется накачкой. Из полученных в предыдущем разделе выводов следует невозможность создания инверсной населенности в двухуровневой системе посредством воздействия на нее внешнего электромагнитного излучения. В самом деле, из-за насыщения инверсная населенность никогда не будет большей нуля. Тем не менее, задача становится разрешимой, если ввести в рассмотрение дополнительно один или два уровня – так называемые трех- и четырехуровневые схемы накачки. В настоящем разделе мы рассмотрим механизм создания инверсной населенности для обеих схем, используя скоростные уравнения, которые выводятся из условий баланса между скоростями изменения полного числа частиц и полного числа фотонов лазерного излучения. Использование такого подхода дает простое и наглядное описание работы лазера.
Трехуровневая схема
Вначале рассмотрим лазер, работающий по трехуровневой схеме (рис. на слайде). Пусть N 1 ,N 2 ,N 3 – населенности соответствующих уровней,N 0 – полное число частиц. В качестве характеристики интенсивности поля в резонаторе введем величинуq – полное число фотонов в резонаторе. Будем считать, что переходы между уровнями 3 и 2 осуществляются достаточно быстро для того, чтобы можно было положить. Запишем скоростные уравнения для изменения населенностей и числа фотонов:
В уравнении (4.2) первое слагаемое определяет вклад накачки, скорость которой составляет W н (с -1), в изменение населенности уровня 2. Второе слагаемое отражает изменение населенности этого уровня за счет процессов вынужденного излучения и поглощения (для простоты мы положили степени вырождения рассматриваемых уровней одинаковыми).
В
уравнении (4.3) первое слагаемое с точностью
до знака и коэффициента V
совпадает
со вторым слагаемым во втором уравнении.
Действительно, каждый акт вынужденного
излучения сопровождается появлением
фотона, а при вынужденном поглощении
фотон поглощается. КоэффициентV
называется объемом поля (объемом моды)
внутри активной среды. По своей сути
этот параметр отражает тот факт, что
электромагнитное поле занимает в
резонаторе не весь объем активной среды.
Подробно этот вопрос будет рассмотрен
в разделе, посвященном оптическим
резонаторам. Время
называется временем жизни фотона в
резонаторе и учитывает уменьшение числа
фотонов из-за потерь (например, связанных
с пропусканием зеркал).
Наконец,
остается отметить, что при написании
(4.3) мы пренебрегли слагаемым, учитывающим
спонтанное излучение. Действительно,
если в нулевой момент времени положить
q
(0)=0, то получим, что
,
и генерация возникнуть не сможет. Однако
мы в настоящий момент не можем правильно
учесть вклад спонтанного излучения,
поскольку для этого необходимо иметь
представление о возможных типах
конфигурации поля в резонаторе
(пространственной и частотной), что
возможно сделать только при подробном
рассмотрении свойств оптических
резонаторов. Тем не менее, при решении
системы (4.1)-(4.3) мы получим правильный
результат, если предположим, что в момент
времениt
=0 в резонаторе присутствует
небольшое число спонтанных фотонов:q
(0)=q
0 .
Прежде
чем приступить к дальнейшему рассмотрению
системы уравнений (4.1)-(4.3), получим явный
вид для коэффициентов B и
.
Рассмотрим
резонатор длиной L
. Для простоты
будем считать, что активная среда
занимает все пространство между
зеркалами. ПустьТ
1 иТ
2 – коэффициенты пропускания зеркал
резонатора,Т
вн – коэффициент
внутренних потерь за проход от одного
зеркала до другого. Тогда изменение
интенсивности
за двойной проход составит:
где N =N 2 -N 1 .
Для дальнейшего рассмотрения удобным оказывается введение логарифмических потерь, связанных с пропусканием зеркал:
Тогда для всех видов потерь имеем:
(4.6а)
(4.6б)
(4.6в)
С помощью полученных выражений определим полные потери за проход:
.
(4.7)
Если
уровени потерь на пропускание и внутренних
потерь достаточно малы (несколько
процентов), то можно считать
.
Имеем после подстановки:
Если ввести дополнительное условие:
<<1,
(4.9)
то экспоненциальную функцию можно разложить в ряд и получить:
.
(4.10)
Если
разделить получившееся выражение на
интервал времени
,
соответствующий времени двойного
прохода, и использовать приближение
,
получим:
.
(4.11)
Поскольку число фотонов в резонаторе пропорционально интенсивности, то полученное выражение можно сравнить с (4.3). При этом получаются следующие выражения для искомых величин:
.
(4.12)
Если теперь для общего случая считать, что длина активной среды l между зеркалами меньше длины резонатораL , а показатель преломления активной среды равенn , то с учетом соотношения, получаемого для так называемой оптической длины резонатораL ’:
,
(4.13)
окончательно получаем:
.
(4.14)
Если
ввести инверсию населенностей
,
то с учетом предположений о скоростях
переходов между уровнями, сделанных в
начале раздела, легко переписать систему
(4.1)-(4.3) для переменных
иq
:
Начальными
условиями для этой системы будут уже
полученное нами соотношение
,
а также
.
Рассмотрим
вначале вопрос о величине пороговой
инверсной населенности. Для возникновения
генерации необходимо, чтобы величина
была положительной. Из (4.16) видно, что
это условие выполняется, когда
>
.
Отсюда пороговое значение инверсной
населенности:
.
(4.17)
Минимальная
мощность накачки, необходимая для
создания пороговой инверсной населенности,
получается из (4.15) при условиях:
,
,q
=0. Это означает, что, с одной стороны,
фотонов в резонаторе еще нет (кроме
небольшого количества спонтанныхq
0),
а с другой стороны, скорость накачки
уровня 2 начинает уравновешивать скорость
спонтанных переходов с этого уровня.
Сделав подстановку (4.17) в (4.15), получаем:
.
(4.18)
Если
мощность накачки больше пороговой, то
число фотонов будет возрастать, и при
постоянной мощности накачки оно достигнет
некоторого стационарного значения, не
меняющегося во времени. Стационарные
значения числа фотонов и инверсной
населенности естественным образом
получаются из системы (4.15)-(4.16), если в
ней положить
.
Таким образом:
,
(4.19)
.
(4.20)
Если
ввести коэффициент
,
то:
.
(4.21)
Проанализируем полученный результат. На первый взгляд может показаться странным, что независимо от мощности накачки в стационарных условиях инверсная населенность всегда равна пороговому значению. Однако, ясно, что в стационарном режиме число фотонов (и интенсивность поля) в резонаторе не меняется. Очевидно, что это условие может выполняться только при равенстве усиления сумме всех потерь. При любом другом соотношении между усилением и потерями интенсивность будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Поскольку усиление пропорционально величине инверсной населенности, то соотношение (4.19) как раз и устанавливает равенство усиления активной среды совокупным потерям, на которое мощность накачки не оказывает никакого влияния.
В
то же время, число фотонов в резонаторе,
а следовательно, и выходная мощность
излучения лазера прямо пропорциональна
мощности накачки (если, например, выходным
считать зеркало 2, то
).
После подстановки окончательно получаем:
.
(4.22)
Четырехуровневая схема
Проведем
теперь аналогичный расчет для случая
четырехуровневой схемы накачки (рисунок
на слайде). Полагая, что переходы между
уровнями 3 и 2 и уровнями 1 и 0 являются
быстрыми, то есть
,
получаем следующую систему скоростных
уравнений:
После
сведения этой системы к системе из двух
уравнений в переменных
:
Можно заметить, что полученное скоростное уравнение для числа фотонов совпадает с аналогичным уравнением в случае трехуровневой системы. Однако скоростные уравнения для инверсной населенности отличаются множителем 2 во втором слагаемом, имеющимся в случае четырехуровневой схемы. Физический смысл этого отличия заключается в том, что в трехуровневой схеме накачки при излучении фотона с уровня 2 населенность этого уровня уменьшается на единицу, а населенность уровня 1 увеличивается на единицу. Поэтому инверсия уменьшается на 2. В четырехуровневой схеме населенность 2-го уровня тоже уменьшается на единицу, но из-за быстрой релаксации с уровня 1 на уровень 0 населенность 1-го уровня не меняется, то есть инверсия уменьшается на 1.
Величины пороговой и стационарной инверсной населенности получаются такими же, как и в случае трехуровневой схемы:
,
(4.28)
что является следствием того, что эта величина определяется уровнем суммарных потерь в резонаторе.
Для пороговой мощности накачки получаем:
.
(4.29)
Сравнение
с (4.18) показывает, что для четырехуровневой
схемы пороговая мощность накачки в
1
раз меньше по сравнению с трехуровневой
схемой при одном и том же значении
.
Этот результат также объясняется
достаточно наглядно. В трехуровневой
схеме для создания инверсной населенности
необходимо перевести с уровня 1 на
уровень 2 по крайней мере половину
частиц. В случае же четырехуровневой
схемы перевод на уровень 2 даже одной
частицы создает инверсную населенность,
поскольку населенность уровня 1 всегда
практически равна нулю. Это является
основным преимуществом четырехуровневой
схемы.
Для стационарного числа фотонов в резонаторе получается следующее выражение:
,
(4.30)
а для выходной мощности:
.
(4.31)
Рассмотренные нами механизмы создания инверсной населенности называются оптической накачкой. При оптической накачке в качестве источника излучения используются, как правило, мощные широкополосные лампы. Поскольку эффективность накачки тем больше, чем больше излучения источника поглотится активной средой, то лучше всего оптическая накачка подходит для веществ, имеющих сильно уширенные линии, то есть для твердотельных и жидкостных лазеров.
Кроме оптической накачки, существует множество других способов создания инверсной населенности. Одним из наиболее широко распространенных способов является электрическая накачка, которая осуществляется посредством электрического разряда. Этот механизм особенно эффективен для веществ с узкой линией поглощения. Поэтому электрическая накачка является основным методом создания инверсии в газовых лазерах.
Среди других механизмов накачки отметим химическую накачку (необходимая для возникновения инверсии выделяется при экзотермической реакции), газодинамическую накачку (сверхзвуковое расширение газовой смеси), а также лазерную накачку, когда лазерный луч одного лазера служит для накачки другого.
Накачка осуществляется, как правило, одним из двух способов: оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных или жидкостных лазеров. Механизмы уширения линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно имеют дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Эти полосы поглощают заметную долю света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что уних спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы накачки дают широкополосное излучение, осуществлять оптическую накачку довольно трудно. Оптическую накачку весьма эффективно было бы использовать для полупроводниковых лазеров. дело в том, что у полупроводников имеет полоса сильного поглощения. Однако применение в данном случае электрической накачки оказывается более удобным, поскольку через полупроводник очень легко проходит электрический ток.
Еще один способ накачки – химическая. Есть два достойный внимания вида химической накачки: 1) ассоциативная реакция, ведущая к образованию молекулы АВ в возбужденном колебательном состоянии, и 2) диссоциативная реакция, , ведущая к образованию частицы В (атома или молекулы) в возбужденном состоянии.
Другим способом накачки газовой молекулы является сверхзвуковое расширение газовой смеси, содержащей данную молекулу (гадодинамическая накачка). Следует упомянуть также о специальном виде оптической накачки, когда лазерный луч используется для накачки другого лазера (лазерная накачка). Свойства направленного лазерного луча делают его очень удобным для накачки другого лазера, причем здесь не требуется специальных осветлителей, как в случае (некогерентой) оптической накачки. Благодаря монохроматичности излучения лазера накачки ее применение не ограничивается твердотельными и жидкостными лазерами, но ее можно также использовать для накачки газовых лазеров. В данном случае линия, излучаемая накачивающим лазером, должна совпадать с линией поглощения накачиваемого лазера. Это применяется, например, для накачки большинства лазеров дальнего ИК-диапазона.
В случае оптической накачки свет от мощной некогерентной лампы с помощью соответствующей оптической системы предается активной среде. На рис. 1 представлены три наиболее употребительные схемы накачки. Во всех трех случаях среда имеет форму цилиндрического стержня. Изображенная на рис. 1а лампа имеет форму спирали; при этом свет попадает в активную среду либо непосредственно, либо после отражения от зеркальной цилиндрической поверхности (на рис. Цифра 1). Такая конфигурация использовалась при создании первого рубинового лазера и до сих пор иногда применяется для импульсных лазеров. на рис. 1б лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа), радиус и длина которого приблизительно те же, что и у активного стержня. Лампа размещается вдоль одной из фокальных осей F1 зеркально отражающего эллиптического цилиндра (1), а лазерный стержень располагается вдоль другой фокальной оси F2. Большая часть света, излучаемого лампой, благодаря отражению от эллиптического цилиндра попадает в лазерный стержень. На рис. 1в изображен пример так называемой конфигурации с плотной упаковкой. Лазерный стержень и линейная лампа располагаются как можно ближе друг к другу и плотно окружаются цилиндрическим отражателем (1). Эффективность конфигурации с плотной упаковкой обычно ненамного ниже, чем в случае эллиптического цилиндра. Часто вместо зеркально отражающих рефлекторов в схемах на рис 1а и в применяются цилиндры, изготовленные из диффузно отражающих материалов. Применяются и сложные типы осветителей, в конструкции которых использованы более чем один эллиптический цилиндр или несколько ламп в конфигурации с плотной упаковкой.
Определим КПД накачки непрерывного лазера как отношение минимальной мощности накачки Pm, необходимой для создания определенной скорости накачки, к электрической мощности накачки Р, фактически подведенной к лампе. Минимальная мощность накачки может быть записана в виде: , где V – объем активной среды, vp – разность частот между основным и верхним лазерными уровнями. Распространение скорости накачки по активному стержню является во многих случаях неоднородным. Поэтому более правильно определять среднюю минимальную мощность накачки , где усреднение производится по объему активной среды. Таким образом
Для импульсного лазера по аналогии средний КПД накачки имеем
где интеграл по времени берется в пределах от начала до конца импульса накачки, а Е – электрическая энергия, подведенная к лампе.
Процесс накачки можно рассматривать состоящим из 4 различных этапов: 1) испускания излучения от лампы, 2) переноса этого излучения к активному стержню, 3) поглощения его в стержне и 4) передачи поглощенной энергии верхнему лазерному уровню.
Из выражения (1) или (!а) можно найти скорость накачки Wp:
Электрическая накачка применяется в газовых и п/п лазерах. Электрическая накачка газового лазера осуществляется пропусканием через газовую смесь постоянного, высокочастотного (ВЧ) или импульсного тока. Вообще говоря, ток через газ может протекать либо вдоль оси лазера (продольный разряд, рис. 2а), либо поперек ее (поперечный разряд, рис. 2б). В лазерах я продольным разрядом электроды нередко имеют кольцеобразную форму, причем, чтобы ослабить деградацию материала катода вследствие столкновения с ионами, площадь поверхности катода делается намного больше, чем у анода. В лазерах же с поперечным разрядом электроды вытягиваются на всю длину лазерной среды. В зависимости от типа лазера применяют самые различные конструкции электродов. Схемы с продольным разрядом используются обычно для непрерывных лазеров, в то время как поперечный разряд применяется как для накачки постоянным, так и импульсным и ВЧ током. Поскольку поперечные размеры лазера обычно существенно меньше продольных, в одной и той же газовой смеси напряжение, которое необходимо приложить в случае поперечной конфигурации, значительно ниже, чем напряжение для продольной конфигурации. Однако продольный разряд, когда он происходит в диэлектрической (пр., стеклянной) трубке (рис. 2а) позволяет получить более однородное и стабильное распределение накачки.
В электрическом разряде образуются ионы и свободные электроны, а поскольку они приобретают дополнительную энергию от приложенного электрического поля, они могут возбуждать при столкновении нейтральные атомы. Положительные ионы благодаря своей большой массе ускоряются значительно хуже, чем электроны, и поэтому не играют существенной роли в процессе возбуждения.
5.20. Оптические резонаторы. Гауссовские пучки света .
В открытых структурах типа интерферометра Фабри-Перо существуют характерные колебательные моды. К настоящему времени известно большое число модификаций открытых резонаторов, отличающихся друг от друга конфигурацией и взаимным расположением зеркал. Наибольшей простотой и удобством отличается резонатор, образованный двумя сферическими отражателями с равной кривизной, обращенными вогнутыми поверхностями навстречу друг другу и расположенные на расстоянии радиуса кривизны, равного радиусу сфер, друг от друга. Фокусное расстояние сферического зеркала равно половине радиуса кривизны. Поэтому фокусы отражателей совпадают, вследствие чего резонатор называется конфокальным (рис. 1). Интерес в конфокальному резонатору обусловлен удобством его юстировки не требующей сорогой параллельности отражателей друг другу. Необходимо лишь, чтобы ось конфокального резонатора пересекала каждый отражатель достаточно далеко от его края. В противном случае дифракционные потери могут быть слишком большими.
Рассмотрим конфокальный резонатор более подробно.
Пусть все размеры резонатора велики по сравнению с длиной волны. Тогда моды резонатора, распределение полей в нем и дифракционные потери можно получить на основе принципа Гюйгенса-Френеля путем решения соответствующего интегрального уравнения. Если отражатели конфокального резонатора имеют квадратное сечение со стороной 2а, которая мала по сравнению с расстоянием между зеркалами l, равным их радиусу кривизны R, а числа Френеля велики, то собственные функции интегрального уравнения типа Фокса и Ли аппроксимируются произведениями полиномов Эрмита Hn(x) на гауссову функцию .
В декартовой системе координат, начало которой помещено в центр резонатора, а ось z совпадает с осью резонатора (рис. 1), поперечное распределение поля дается выражением
где определяет размер той области поперечного сечения, при выходе на которой интенсивность поля в резонаторе, пропорциональная S2, падает в е раз. Другими словами – это ширина распределения интенсивности.
Полиномы Эрмита нескольких первых степеней имеют вид:
Собственными функциями уравнения, дающим поперечное распределение (1), соответствуют собственные частоты, определяемые условием
На рис. 2 графически представлены три первые функции Эрмита-Гаусса для одной из поперечных координат, построенные по формуле (1) с учетом (2). Эти графики наглядно показывают характер изменения поперечного распределения поля с увеличением поперечного индекса n.
Резонансы в конфокальном резонаторе имеют место только для целых значений . Спектр мод к.р. вырожден, увеличение m+n на две единицы и уменьшение q на единицу дает то же значение частоты. Основной является мода ТЕМ00q, поперечное распределение поля определяется простой гауссовой функцией . Ширина распределения интенсивности меняется вдоль оси z по закону
где , а имеет смысл радиуса пучка в фокальной плоскости резонатора. Величина определяется длиной резонатора и составляет
На поверхности зеркала площадь пятна основной моды, как видно из (4) и (5), вдвое больше, чем площадь сечения шейки каустики.
Решение (1) получено для поля внутри резонатора. Но когда одно из зеркал частично прозрачно, как это бывает в случае активных лазерных резонаторов, то выходящая наружу волна является бегущей волной с поперечным распределением (1).
По существу, выделение основной моды активного конфокального резонатора – это способ получения гауссова пучка монохроматического света. Рассмотрим их более подробно.) ширина , чему соответствует угловая расходимость
В результате основная часть энергии гауссова пуска сосредоточена в телесном угле
Таким образом, расходимость лазерного излучения в основной моде определяется не поперечным, а продольным размером резонатора лазера.
По существу, формула (8) описывает дифрагированную волну, являющуюся результатом самодифракции гауссова пуска. Дифракционная картина, описываемая (8), характеризуется монотонным уменьшением интенсивности при отходе от осевого направления, т.е. полным отсутствием каких-либо осцилляций в яркости дифракционной картины, а также быстрым спаданием интенсивности волны на крыльях распределения. Такой характер имеет дифракция гауссова пучка на любой апертуре, лишь бы размер ее в достаточной мере превышал ширину распределения интенсивности пучка.
Инверсная заселенность – это концентрация атомов с одинаковым энергетическим со- стоянием; в термодинамическом равновесии подчиняется статистике Больцмана:
Где – концентрация атомов, состояние электронов в которых соответствует энергетическим уровням с энергией и .
Когда концентрация невозбужденных атомов больше, чем возбужденных, величина Δn = отрицательна, следовательно, населенность нормальная. Когда концентрация возбужденных атомов больше, чем невозбужденных (что обеспечивается воздействием энергии накачки), величина Δn становится положительной, то есть происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет возбужденных атомов.
Формально условие Δn > 0 выполняется при абсолютной отрицательной температуре T < 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.
В полупроводниковых лазерах инверсия между населенностями энергетических уровней зоны проводимости и валентной зоны достигается инжекцией носителей при положительном смещении p-n-перехода.
Лазерное усиление
Лазерное усиление - это усиление оптического излучения, основанное на использовании индуцирующего излучения – при воздействии кванта излучения на атом в возбужденном состоянии, происходит переход электрона из состояния с энергией в состояние с энергией , сопровождаемый испусканием кванта излучения c энергией, равной энергии вынуждающего кванта hν = – .
В среде с достаточной концентрацией возбужденных атомов при пропускании через нее излучения, можно получить режим усиления, если количество образовавшихся фотонов существенно больше потерь на поглощение и рассеяние.
Инжекционный лазер представлен на рисунке 1.3
Рис. 1.3.Схема устройства полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)
На рис.1. 4 представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми у них выравниваются (рис.1. 4 а). А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1. 4. б).
Рис.1. 4. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б). d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.
В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная населённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны. По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этом процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.
На рис.1. 5 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.
Рис.1. 5. Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.
В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес академик РАН Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года). Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 1. 6, а её энергетическая схема – на рис. 1. 7.
Рис. 1.6. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.
Рис. 1.7 .Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис. 1. 6. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.
Рис. 1. 8. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой: l - длина резонатора
Активная среда
Активная среда– вещество, в котором создается инверсная заселенность. В разных типах лазеров она может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. Лазеры получают названия в зависимости от используемой активной среды.
Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.
Существует два типа полупроводниковых лазеров.
Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, где в качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe
Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер – состоит из примесных полупроводников, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019 . Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия GaAs.
Условие создания инверсной населенности для полупроводников на частоте v имеет вид:
∆F= - >hv
То есть, чтобы излучение в полупроводниковом монокристалле усиливалось, расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок должно быть больше энергии кванта света hv. Чем меньше частота, тем при меньшем уровне возбуждения достигается инверсная населенность.
Система накачки
Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током.
В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров).
Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3.1) или продольной (рис. 3 .2). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.
Рис. 3.1 - Поперечная накачка электронным пучком
Рис. 3.2 - Продольная накачка электронным пучком
В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 3.3).
Рис. 3.3 - Принцип устройства инжекционного лазера
Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера.
Резонатор
Резонаторпредставляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).
Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фаби – Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии друг от друга.
В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.
Рис. 4.1. Типы оптических резонаторов: а – плоский, б – призменный, в – конфокальный, г – полуконцентрический, д – составной, е – кольцевой, ж,з – скрещенные, и – с брэгговскими зеркалами. Заштрихованы активные элементы.
В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 4.1, б). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора.
Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф (рис. 4.1, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор.
Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. Например, рис. 4. 1, д. – составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 4. 1,е).
Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скрещенные резонаторы (рис. 4. 1. ж,з). Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью.
Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 4. 1, и) или селективным воздействием на однородную среду.
Используются и другие конструкции резонаторов.
По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации.
Потери в резонаторе
Генерацию излучения упрощенно можно представить так: рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз. Например, в плоском резонаторе через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Так появляются потери.
Выделяют несколько видов потерь на резонаторе:
1.Потери на зеркалах.
Поскольку часть генерируемого в среде излучения необходимо вывести из резонатора, применяемые зеркала (по крайней мере одно из них) делаются полупрозрачными. Если коэффициенты отражения зеркал по интенсивности равны R1 и R2 , то коэффициент полезных потерь на выход излучения из резонатора в расчете на единицу длины будет задаваться формулой:
2.Геометрические потери
Если луч распространяется внутри резонатора не строго нормально поверхностям зеркал, то после определенного числа отражений он достигнет краев зеркал и покинет резонатор.
3. Дифракционные потери.
Рассмотрим резонатор, образованный двумя плоскопараллельными круглыми зеркалами радиусом a. Пусть на зеркало 2 падает параллельный пучок излучения с длиной волны λ. Пучок отражается от зеркала и одновременно дифрагирует в угол порядка d ϕ ≈ λ a . Числом Френеля для данного резонатора называется число проходов между зеркалами, когда итоговая расходимость пучка достигнет угла выхода излучения за края зеркал ϕ=a/L
4.Рассеяние на неоднородностях активной среды.
Если резонатор заполнен активной средой, то возникают дополнительные источники потерь. При прохождении излучения через активную среду часть излучения рассеивается на неоднородностях и посторонних включениях, а также ослабляется в результате нерезонансного поглощения. Под нерезонансным поглощением понимают поглощение, связанное с оптическими переходами между уровнями, не являющимися рабочими для данной среды. Сюда же могут быть отнесены потери, связанные с частичным рассеянием и поглощением энергии в зеркалах.
Вернемся к записанному выше условию термодинамического равновесия (2.4). Это условие означает, что всякая равновесная квантовая система поглощает энергию внешнего поля. В самом деле, согласно (2.2), внизу частиц всегда больше, чем вверху (см. рис. 2.1). Излучаемая в единицу времени энергия равна:
I изл = n 2 W 21 hn » n 2 W ИНД hn
Поглощаемая в единицу времени энергия равна:
I погл = n 1 W 12 hn
dr / dt = (n 2 – n 1) W инд hn (2.10)
Отсюда видно, что в равновесном состоянии всегда dr / dt < 0 в силу n 2 < n 1 . Для того, чтобы dr / dt > 0, необходимо, чтобы n 2 > n 1 . Это возможно только при нарушении термодинамического равновесия. Выражаясь языком квантовой электроники, необходима инверсная населенность рабочих уровней . Для этого нужно, чтобы переходы с испусканием излучения преобладали над переходами с поглощением.
Таким образом, мы подошли ко второму принципу, лежащему в основе работы лазера: для усиления электромагнитного излучения в квантовой системе необходимо создать инверсию населенностей пары квантовых уровней.
Формально подстановка такого соотношения населенностей в формулу Больцмана (2.2) ведет к отрицательному значению температуры Т . Поэтому системы с инверсной населенностью иногда называли системами с отрицательной температурой. Такое название следует признать неудачным по следующим причинам.
Нельзя забывать о том, что квантование энергии имеет место в связанных состояниях, где набор разрешенных значений энергии обязательно ограничен сверху. Поэтому, в силу целого ряда запрещающих факторов, квантовой системе невозможно сообщить произвольную энергию так, чтобы она, во-первых, осталась в равновесии, а во-вторых, продолжала существовать в связанном состоянии. Она либо перестанет существовать, либо потеряет равновесие. Деструкция системы нас, разумеется, не устраивает - то, что мы хотим от нее получить, никоим образом не есть увеличение беспорядка. А вот нарушение термодинамического равновесия, т.е. резонансная подкачка энергии на верхний уровень при возможно меньшем возмущении системы в целом - это именно то, что нужно. Так что отождествление инверсной населенности с отрицательной температурой - условность, поскольку само создание инверсии означает нарушение термодинамического равновесия, а понятие температуры как таковой с необходимостью предполагает наличие термодинамического равновесия.
Рассмотрим возможность усиления электромагнитного излучения при прохождении через среду с инверсной населенностью. Обозначим Dn л = 1/2pt 0 , где t 0 - время жизни верхнего уровня. Величина Dn л характеризует полосу частот, в пределах которой двухуровневая система эффективно взаимодействует с внешним полем. Ввиду конечности времени жизни верхнего уровня приходится учитывать частотную зависимость вероятности индуцированного перехода в (2.8) даже при монохроматическом внешнем поле. Именно:
Здесь q(n) - функция, описывающая частотную зависимость вероятности индуцированного перехода. В случае учета только конечности времени жизни верхнего уровня q(n) имеет лоренцеву форму (подробнее об этом ниже). Для монохроматического внешнего поля:
r n = r d (n -n 0),
где d - дельта-функция Дирака; n 0 = (Е 2 - Е 1) / h - частота внешнего поля, совпадающая с центральной частотой перехода Е 2 ® Е 1 .
q(n 0)B 21 r = 2/pDn л (2.12)
Учет ширины линии верхнего уровня необходим для того, чтобы связать W ИНД, входящую в dr / dt , с самой величиной r . Используя (2.10)-(2.12), можно непосредственно описать усиление внешнего поля за счет индуцированного излучения. Введем величину:
называемую показателем усиления . Здесь I - плотность мощности, или интенсивность излучения, пропорциональная квадрату амплитуды поля или числу фотонов. Видно, что α совпадает с точностью до знака с поглощением излучения при распространении вдоль координаты z . Поскольку речь идет о распространении электромагнитной волны, I ~ r и dz = cdt . Тогда:
(2.14)
Используя (2.10) и (2.12), получим:
(2.15)
В силу свойств индуцированного излучения получаемое при усилении в инверсной среде излучение когерентно. Среда с инверсной населенностью называется в квантовойэлектронике активной средой . Формула (2.15) дает показатель усиления активной среды в линейном приближении, т.е. в случае, когда α не зависит от интенсивности излучения r (или I ). Фактически это реализуется при достаточно малых интенсивностях, или в том случае, когда излучение не вызывает заметных отклонений распределения числа частиц по уровням от исходного.
Возможность усиления электромагнитного излучения в среде с инверсией населенности была показана В.А. Фабрикантом в 1940 г. , но не была должным образом оценена. Практически эта возможность была реализована при создании квантовых генераторов микроволнового диапазона советскими учеными А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым и группой американских ученых во главе с Ч. Таунсом в 1955 г., за что трое поименованных были удостоены Нобелевской премии. Созданный ими прибор получил название мазер M icrowave A mplification by S timulated E mission of R adiation».
В дальнейшем были реализованы условия для усиления и генерации в среде с инверсной населенностью излучения оптического диапазона. Соответствующий источник излучения получил название лазер ― аббревиатура английского термина «L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation». Следует признать неудачность и этого термина, в котором не отражена особенность лазера как источника электромагнитного излучения с уникальными свойствами, то есть как генератора . В аббревиатуре слово «генератор» отсутствует. Стремление подчеркнуть достоинства лазера как автоколебательной системы привело к появлению в СССР в 60-е годы термина «оптический квантовый генератор» (ОКГ), в настоящее время вышедшего из употребления. Тогда же сформировались две точки зрения на работу лазера, условно называемые радиофизической и оптической .
С оптической же точки зрения лазером с одинаковым успехом можно называть любое устройство, в котором на выходе преобладает индуцированное излучение , независимо от того, реализован при этом автоколебательный режим или нет.
 |
Длительное время (вплоть до 90-х годов минувшего века) преобладала радиофизическая точка зрения, наиболее последовательно изложенная впервые в классической работе У. Лэмба-младшего в 1964 г. «Теория оптических мазеров» . В последнее время в связи с технологическим прогрессом, небывало расширившим сферу практического применения «подпороговых» источников когерентного излучения в виде сверхизлучающих светодиодов, оптическая точка зрения получила «второе дыхание», хотя ни одной концептуальной работы, «уравнивающей в правах» оптическую точку зрения с радиофизической, в литературе не появилось.
Процесс создания инверсной населенности называется в квантовой электронике накачкой .
Для представления о результатах исторических исследований , ставших основой создания первого источника когерентного излучения, рассмотрим устройство мазера (первого квантового генератора, где в качестве активных центров использовались молекулы аммиака NH 3).
Молекула аммиака имеет форму пирамиды с треугольным основанием. В вершине пирамиды расположен атом азота, а в углах основания ― атомы водорода (см. рисунок 2.3а). При этом атом азота в молекуле может занимать два равноправных положения выше и ниже основания пирамиды. Это ведет к тому, что у молекулы появляются два энергетических состояния, разность энергий между которыми соответствует частоте ν =23 870 МГц. В электрическом поле из-за явления Штарка разница между энергиями уровней Е 2 -Е 1 увеличивается по мере роста напряженности поля Е (рисунок 2.3б). Таким образом, с ростом напряженности электрического поля энергия верхнего состояния Е 2 растет, а нижнего Е 1 уменьшается. Рассмотрим квадрупольный конденсатор, образованный четырьмя параллельными стержнями (рисунок 2.3в). При указанной на рисунке полярности заряда конденсаторе напряжен
 |
ность на оси конденсатора равна нулю.
Рисунок 2.3. К устройству мазера на пучке молекул аммиака.
Поскольку в соответствии с законами механики любая система испытывает силу, направленную в сторону уменьшения ее потенциальной энергии, при помещении молекул аммиака в квадрупольный конденсатор молекулы, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии, будут стремиться к оси конденсатора, тогда как молекулы, находящиеся в нижнем состоянии будут уходить от оси. Таким образом, если вдоль оси квадрупольного конденсатора пустить струю газа, то возбужденные молекулы будут «фокусироваться» вдоль оси конденсатора, и на выходе из него получится струя газа (пучок молекул) с инверсной населенностью между состояниями, разделенными энергией hν , которая может быть (и с успехом была) использована для усиления резонансного электромагнитного излучения. В данном случае (ν = 23 870 МГц) частота этого излучения располагается в микроволновом диапазоне.
Возможно создание инверсной населенности за счет возбуждения активных центров интенсивным излучением оптического диапазона. Такая накачка используется в системах с высокой концентрацией активных центров ― в активированных кристаллах, стеклах и растворах. Однако при этом необходимо соблюдение дополнительных условий.
В случае двухуровневой системы (см. рисунок 2.2) внешнее резонансное излучение может привести всего лишь к выравниванию населенностей уровней. Действительно, до облучения населенность нижнего уровня n 1 больше населенности верхнего уровня n 2 , поэтому число вынужденных переходов на верхний уровень n 1 W 12 будет превышать число вынужденных переходов в обратном направлении n 2 W 21 . В начальный момент резонансное излучение максимально поглощается. В последующие моменты времени виду преобладания переходов снизу вверх разность населенностей n 1 ─n 2 будет стремиться к нулю, и вещество перестает поглощать резонансное излучение (просветляется). Иначе говоря, происходит насыщение поглощения на рабочем переходе.
Таким образом, с помощью оптической накачки невозможно создать инверсную населенность в двухуровневой системе. Но это оказывается возможным в более сложных квантовых системах, имеющих число уровней больше двух (см. рисунок 2.4).
 |
Рисунок 2.4. Трехуровневые (а, б) и четырехуровневая (в) схемы возбуждения
активной среды
Рассмотрим систему активных центров, имеющих три энергетических уровня (рисунок 2.4а), характеризующуюся тем, что уровень с энергией Е 3 за счет релаксационных переходов имеет малое время жизни относительно перехода на уровень Е 2 , который, в свою очередь, характеризуется большим временем жизни и называется за это «метастабильным». В равновесном состоянии большинство активных центров оказывается на уровне 1, который называют основным уровнем, иначе говоря, в основном состоянии.
Пусть на такую систему подается излучение с частотой 
. Тогда за счет вынужденных переходов активные центры будут переходить в состояние с энергией Е 3
, а за счет релаксационных переходов «сваливаться» с уровня Е 3
на метастабильный уровень с энергией Е 2
. Если частота релаксационных переходов 3®2 будет превышать частоту релаксационных переходов 2®1, то активные центры будут накапливаться на метастабильном уровне 2, и его населенность n 2
может превысить населенность нижнего уровня n 1
. То есть будет создана инверсная населенность, которая может быть использована для усиления за счет вынужденных переходов излучения, резонансного переходу 2®1.Заметим, что только для выравнивания
населенностей на этих уровнях необходимо перебросить наверх как минимум половину активных центров. Затраченная на это энергия не может быть использована для усиления резонансного излучения. Однако, поскольку для переброски на уровень 3 требуется большая энергия накачки (речь идет о большом числе активных центров и, соответственно, о больших световых потоках излучения накачки), возникшая инверсия может обеспечить большую энергию, высвечиваемую на рабочем переходе. Такой режим работы с радиофизических позиций называется «жестким» режимом возбуждения (трудно выполнить условия генерации, но в случае их выполнения автоколебания возникают с большой интенсивностью).
Возможна другая ситуация (рисунок 2.4б), когда короткоживущим оказывается уровень 2. В этом случае активные центры, заброшенные возбуждающим излучением на уровень 3, могут создать на нем инверсную населенность относительно уровня 2. Действительно, центры, оказавшиеся на уровне 2 за счет вынужденных переходов 3®2, будут «скатываться» за счет быстрой релаксации на уровень 1 (в основное состояние), откуда излучением накачки будут вновь переведены на уровень 3. В отличие от предыдущего случая, инверсия создается на переходе 3→2, и для выполнения условия самовозбуждения не требуется переброски более половины активных центров в состояние 3 из основного состояния. Такой режим называется «мягким» режимом возбуждения, поскольку инверсию создать относительно легко, но получить большую выходную мощность на рабочем переходе трудно.
И, наконец, наиболее эффективной оказывается четырехуровневая схема (рисунок 2.4в). В ней сильны (т.е. имеют малое время релаксации) релаксационные переходы 4®3 и 2®1, причем желательно, чтобы уровень 2 был расположен достаточно высоко над основным состоянием 1, так что его исходная населенность мала в соответствии с формулой Больцмана. В этом случае даже незначительное количество активных центров, заброшенных накачкой на уровень 4 и свалившихся на метастабильный уровень 3 за счет релаксации, могут создать инверсную населенность относительно уровня 2. В свою очередь, уровень 2 быстро опустошается, поскольку оказавшиеся на нем активные центры сбрасываются релаксацией в основное состояние. Поскольку в принципе уровень 2 (нижний рабочий уровень) может быть сколь угодно мало заселен, инверсия на рабочем переходе 3→2 получается значительно проще, чем в любой из трехуровневых схем. Недостатком четырехуровневой схемы можно считать относительно малую квантовую эффективность (отношение энергии рабочего перехода к энергии накачки hν 14 , ), поскольку рабочие уровни 2,3 расположены далеко от основного состояния.
Описанный способ накачки (оптический) целесообразно применять в случае конденсированных активных сред , когда плотность активных центров велика. Если же плотность активных центров мала (а это имеет место в случае газовой активной среды), то более эффективны другие способы накачки.
Наиболее распространенный способ накачки такой активной среды ― электрический разряд в разреженных газах. Если в запаянной трубке, заполненной разреженным газом, расположить два электрода и подать на них напряжение достаточной величины, то в пространстве между электродами может возникнуть стационарный тлеющий разряд. Электроны, вылетающие с катода, будут разгоняться электрическим полем и при соударении с частицами газа (атомами, молекулами) отдавать им энергию. При этом часть атомов будут ионизироваться, порождая вторичные электроны, а часть, получив энергию от электронов за счет неупругого соударения, возбудятся, то есть перейдут в более высокое энергетическое состояние.
Таким образом, в тлеющем разряде присутствуют три сорта частиц: ионы, электроны и нейтральные атомы (молекулы). В стационарном состоянии концентрацию каждой из этих компонент разряда можно считать постоянной, хотя при изменении условий их соотношение может меняться (имеет место динамическое равновесие). Очевидно при этом, что наличие различных коллективных компонент означает отсутствие термодинамического равновесия, поскольку для каждой их них существует свое квазиравновесное распределение по энергиям, характеризуемое своей «парциальной температурой». Если различием температур ионов и нейтральных частиц можно пренебречь (их массы различаются незначительно), то температура электронов будет существенно превышать температуру тяжелых частиц. Тем самым необходимое условие создания инверсии населенностей на какой-то паре возбужденных уровней ― отсутствие термодинамического равновесия ― в тлеющем разряде заведомо выполнено.
Дальше процессы могут проходить аналогично описанной выше оптической накачке, только роль возбуждающего фактора будет играть не поглощение излучения накачки, а столкновения частиц в разряде с преобладанием роли электронов. Именно так происходит накачка в большинстве газовых лазеров (на нейтральных атомах инертных газов , наиболее типичным представителем которых является гелий-неоновый; ионных , где наиболее примечателен лазер на ионах аргона; молекулярных , где наибольшее распространение получил СО 2 -лазер). Как видно из наименования, для каждого из перечисленных газовых лазеров в качестве рабочих используются переходы соответствующих активных центров. Ниже о каждом из этих типов лазеров будет рассказано подробнее, в связи с преобладанием их медицинских применений.
Если на стенки разрядной трубки нанести проводящие электроды и подать на них высокочастотный сигнал, то возникающий при этом тлеющий разряд в активной среде с высокой эффективностью воспринимает мощность от образованной электродами полосковой линии . Использование высокочастотного разряда для накачки газовой активной среды позволяет повысить КПД, уменьшить габариты блока питания и избавиться от высоких напряжений, представляющих опасность для обслуживающего персонала.
В газах инверсная населенность может быть получена не только за счет возбуждения электрического разряда, но и за счет нагрева активной смеси (в том числе и за счет процессов в камере сгорания) и быстрого ее охлаждения при истечении через сверхзвуковое сопло. Такой способ накачки лежит в основе действия газодинамических лазеров .
В последнее время наиболее быстро расширяется сфера применения полупроводниковых лазеров , работающих на межзонных переходах полупроводниковых кристаллов. Наиболее эффективным способом накачки в таких лазерах является инжекция, т.е. пропускание электрического тока через p-n переход. Ввиду исключительной перспективности применения полупроводниковых лазеров в медицине им в дальнейшем будет уделено особенно пристальное внимание.
Если система находится в состоянии термодинамического равновесия с внешней средой, то вероятность того, что какой-либо атом находится на энергетическом уровне характеризуется множителями или Если общее число атомов составляющих систему, то число атомов, населяющих энергетические уровни т. е. населенности этих уровней, равно
Здесь - статистические веса данных уровней (степени вырождения), т. е. число различных состояний или наборов квантовых чисел для данного энергетического уровня.
Следовательно, соотношение населенностей этих энергетических уровней определяется выражением
В случае невырожденных состояний, т. е. когда имеем
Если то при термодинамическом равновесии населенность и температура, выраженная через отношение населенностей уровней, будет равна
Согласно второму закону термодинамики система всегда стремится к равновесию, и если какое-либо внешнее воздействие выведет
ее из состояния термодинамического равновесия (например, состояния атомов активатора в рубине после оптической накачки), тогда система путем перераспределения энергии сама перейдет в новое термодинамическое равновесие. Обычно такие процессы, возвращающие систему в состояние равновесия, называются релаксационными. Проанализируем выражение температуры системы через населенности энергетических уровней.
1. , если т. е. все атомы находятся в основном в устойчивом состоянии.
2. , если населенность т. е. низкие энергетические уровни имеют большую населенность, чем высокие. Эти состояния системы приближаются к равновесному состоянию.
3. Если в результате внешнего воздействия нам удалось перераспределить частицы в системе так, что населенность высоких энергетических уровней стала больше, чем низких, т. е. то легко убедиться, что этому состоянию отвечает отрицательное значение температуры Такое состояние системы называется состоянием с инверсной населенностью. Правда, следует учитывать, что при инверсной населенности распределение Больцмана не имеет места, поэтому определение отрицательной температуры можно рассматривать лишь как определение неравновесного состояния.