Метод оптической накачки

Идея метода оптической накачки представлена на рис.1.11.

Рис.1.11. Обобщенная схема метода оптической накачки.

Свет от мощной некогерентной лампы (излучение накачки) с помощью соответствующей осветительной системы передается рабочему веществу, которое переводится в состояние с Т<0. Входное электромагнитное излучение (свет), взаимодействуя с таким веществом, усиливается за счет эффекта индуцированного излучения.

Рассмотрим используемые в твердотельных лазерах схемы оптической накачки.

а) В двухуровневой схеме под действием излучения накачки (рис.1.12) частицы переводятся с нижнего уровня на верхний, одновременно происходят спонтанные переходы. Анализ динамики населенностей в такой системе показывает, что при больших уровнях накачки устанавливается состояние, когда населенности двух уровней выравниваются. Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей.

Рис.1.12. Двухуровневая схема накачки.

б) Идея метода оптической накачки была реализована в многоуровневых схемах накачки.

Рис.1.13 Схемы трехуровневой (а) и четырехуровневой (б) накачки.

В трехуровневой схеме атомы под действием излучения накачки с частотой ν_нак=ν₃₁ переводятся с основного уровня на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атомы оказавшиеся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходят на уровень 2*, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2* и 1. Существенно при этом, чтобы уровень 2* был метастабильным (долгоживущим), что отмечено значком (*). Рабочим (лазерным) является переход 2*→1, определяющий частоту (длину волны) излучения лазера: ν₂₁=(Е₂-Е₁)/h.

По аналогичной схеме работает и четырехуровневая схема, с тем отличием, что в этом случае свойством метастабильности должен обладать уровень 3*, рабочим является переход 3*→2, определяющий частоту излучения лазера: ν₃₂=(Е₃-Е₂)/h.

Сравнение трех и четырехуровневых схем накачки показывает, что более эффективной является четырехуровневая схема. Действительно, в этой схеме инверсия населенностей между третьим и вторым уровнями достигается значительно легче из–за относительно малой населенности второго уровня. В трехуровневой схеме для получения инверсии населенностей между вторым и первым уровнями необходимо перевести на второй уровень более половины атомов, первоначально находившихся на первом уровне. В результате, пороговый уровень мощности накачки, при которой начинается генерация в лазере, для четырехуровневой схемы примерно на порядок ниже, чем у трехуровневой.