Четырехуровневые системы.

Как уже говорилось в лекции 2, энергетически более выгодными оказываются активные среды, работающие по четырехуровневой схеме (рисунок 3.9)

В этой схеме рабочим лазерным переходом является переход между уровнями 3 и 2. Если энергия 2 уровня велика настолько, что выполняется соотношение Е₂-Е₁>>k_БT, то тепловое заселение уровня 2 мало. В этом случае для создания инверсной населенности достаточно перевести из основного состояния на верхний лазерный уровень незначительную часть активных частиц.

(3.27)   (3.28)   (3.29)   (3.30)

где W₁₄ ― вероятность вынужденных переходов под действием излучения накачки; W=W₃₂― вероятность вынужденных переходов между лазерными уровнями; w₁₂и w₂₁ ― вероятности безызлучательных переходов между уровнями 1 и 2 (в условиях термодинамического равновесия

τ ₄₃ ― время жизни уровня 4, определяемое релаксацией активных центров на уровень 3; τ =τ₃₂ ― время жизни верхнего лазерного состояния.

В четырехуровневой системе очень быстро происходит релаксация с уровней 4 и 2, поэтому будем считать, что на них не происходит накопления населенностей. В этом случае система уравнений (3.22)―(3.30), как и в случае трехуровневой схемы, может быть сведена к одному уравнению для инверсной населенности Δ=N₃ - N₂ ≈ N₃. В итоге получаем систему из двух уравнений (двухуровневая модель):

(3.31)     (3.32)

Решая эту систему применительно к случаю непрерывной генерации в предположении равномерного заполнения активной среды излучением, легко получить выражение для выходной мощности излучения, подобное (3.24)

.(3.33)

Из сравнения формул (3.24) и (3.33) следует, что существенное различие между трех- и четырехуровневым лазерами заключается в следующем. Пороговая мощность накачки в четырехуровневом лазере определяется в основном потерями в оптическом резонаторе, тогда как в трехуровневом лазере значительная часть мощности расходуется на уравнивание населенностей основного и верхнего лазерного уровней. В связи с этим пороговый уровень накачки четырехуровневых лазеров оказывается гораздо ниже. Это позволяет достаточно просто получать с их помощью непрерывный режим работы.

Литература к лекции 3.

1. А.Л. Микаэлян, М.Л. Тер-Микаелян, Ю.Г.Турков. «Оптические генераторы на твердом теле».

2. Н.В.Карлов. «Лекции по квантовой электронике».