БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Физические основы работы лазера. Механизм возбуждения»

МИНСК, 2008

Физические основы работы лазера

Процесс лазерного излучения

Процесс вынужденного испускания является основой лазерного усиления. Чтобы использовать этот процесс, необходимо электрон, например, в атоме (ионе, молекуле, твердом теле) перевести с более низкого на более высокий энергетический уровень. Чтобы практически реализовать процесс лазерного усиления, указанное состояние необходимо обеспечить не только у отдельного атома, но и у целого ансамбля атомов. Число атомов, занимающих более высокий верхний лазерный уровень должно быть всегда больше заселенности низкого лазерного уровня. Это явление называют инверсией населенности.

Какие существуют возможности получения такой инверсии населенности? Нагревание не подходит, так как по закону излучения Планка (рис. 1.) высокие уровни всегда заселены меньше, чем низкие.

Рис. 1

По закону излучения Планка при нагревании отношение n2/ n1 чисел населенности стремится к 1. Инверсии населенности достичь нельзя.

Облучение светом (оптическая накачка) системы только с двумя энергетическими уровнями даже при значительной интенсивности накачки дает одинаковую населенность обоих уровней. Причина заключается в том, что большая интенсивность облучения кроме поглощения, т.е. заселение верхнего энергетического уровня, приводит также ко многим эмиссиям, т.е. к снижению населенности верхнего уровня. Таким образом, с помощью оптической накачки двухуровневой системе нельзя произвести инверсию населенности. По-другому обстоит дело в системах с тремя и большим числом уровней.

Система с тремя уровнями

Если в системе с тремя энергетическими уровнями (рис. 2.) производится закачка с уровня 1 на уровень 3, то при спонтанной эмиссии, т.е. распаде верхнего уровня, может быть населен уровень 2. Если это долгоживущий уровень, то со временем величина его населенности увеличивается.

Рис. 2. В трехуровневой лазерной системе при очень интенсивной накачке с уровня 1 на уровень 3 можно получить на уровне 2 более высокую населенность, чем на уровне 1.

При очень большой накачке населенность этого второго уровни может быть, по крайней мере, на короткое время, выше, чем населенность нижнего лазерного уровня (основное состояние).

Однако когда лазер начнет работать, инверсия населенности быстро уменьшится. Мощность накачки тогда оказывается недостаточной, чтобы постоянно поддерживать инверсию населенности, так что лазеры с тремя уровнями практически всегда являются импульсными лазерами.

Лазер с четырьмя уровнями.

Если систему с тремя уровнями расширить еще на один уровень 2' между уровнем 1 и уровнем 2 (рис. 3), то можно избежать проблем трехуровневого лазера в отношении короткой по времени инверсии населенности, при условии, что уровень 2' является очень короткоживущим. Если лазерный переход осуществляется с уровня 2 на уровень 2', то уровень 2' при работе лазера в виду его короткого существования постоянно опустошается на основной уровень. В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно постоянно сохранять инверсию населенности между уровнями 2 и 2'. ............