О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 11

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

(3.8)Фізичний зміст умови ш32 > ш21 полягає у тому, що час жи­ття частинок на рівні 2 повинен бути найбільшим для того, щоб на ньому накопичувалися частинки, а час життя на рівні 3 якомога меншим. Лише в цьому разі на частоті v21 при переході частинок з рівня 2 на рівень 1 між цими рівнями створюється інверсійна заселеність.

При виборі трирівневої квантової системи, в якій повинна створитися інверсія за першим типом, час життя на допоміжно­му верхньому рівні повинен бути значно меншим, ніж час життя на рівні, щодо якого створюється інверсійна заселеність. Так, у трирівневій системі (рис. 3.5) час життя на рівні 3 повинен бути порядку т32 « 10-7 10-8с, а на рівні 2 т21 « 10-3. При цьому необхідно, щоб A21 A32.

Важливо, щоб верхній допоміжний рівень 3 був якомога ширший, тому що для накачування використовуються, як пра­вило, газорозрядні лампи із широким спектром випромінюван-

ня.

Умова підсилення виконується тоді, коли різниця (N2 N1) > 0, тобто коли W13 > A21. Остання нерів­ність визначає мінімальну потужність сигналу накачування, який необхідний для створення інверсійної заселеності утрирівневій системі. Для оцінки граничного значення поту­жності випромінювання накачування можуть бути використані співвідношення

 

A21,      «                              , (3.9)

 

де P потужність накачування у смузі частот поглинання активної речовини; к13 ефективний перетин поглинання для переходу квантових частинок з рівня 1 на рівень 3 на частоті v13; S площа поверхні робочої речовини, що піддається ви­промінюванню; т21 час життя частинок на рівні 2.

Співвідношення (3.6), (3.7), отримані за умови майже не­змінної ймовірності лазерних переходів з рівня 2 на рівень 1, тобто вона не залежить від інтенсивності накачування. Ця си­туація відповідає випадку, коли в активній речовині не досяга­ються умови генерації, і вона не знаходиться всередині резона­тора.

При перевищенні порогового значення густини випроміню­вання накачування починає розвиватися процес генерації. По­ступово всілякі втрати компенсуються збільшенням інверсійної заселеності між лазерними рівнями та позитивним зворотним зв'язком, якщо активне середовище знаходиться в резонаторі. При виконанні другої умови початку генерації, що відповідає (pv)деп, значення AN = N2 N1 залишатиметься майже не­змінним. Річ у тому, що збільшення заселеності верхнього ла­зерного рівня 2 буде супроводжуватися збільшенням вимуше­них переходів між верхнім та нижнім лазерними рівнями. Цей процес сприятиме вирівнюванню заселеностей рівнів та наси­ченню коефіцієнта підсилення. Таким чином, значення (pv)gen та AN = N2 N1 визначаються втратами лазера (рис. 3.5 б).

Таким чином, у трирівневій системі для одержання інверсії рівнів необхідно витратити значну енергію. Цього недоліку не­має в чотирирівневих системах, оскільки нижній робочий рівеньмайже не заселений, тому необхідно перевести лише незначну кількість частинок з основного на верхній робочий рівєнь.

У чотирирівнєвій схємі канали генерації та накачування повністю розділені, що дозволяє отримати інверсійну заселе­ність при мінімальних рівнях накачування.

Механізм створення інверсії між робочими лазерними рів­нями E3 і E2 у чотирирівневій системі та переходи, що визнача­ють сутність процесу, показані на рис. 3.6.
Аналіз кінетики заселення рівнів у чотирирівневій схемі мо­же бути проведений за допомогою кінетичних рівнянь аналогі­чно тому, як це було зроблено для трирівневої схеми. Ыверсшна заселеність між рівнями E3 і E2 досягається за умови9з

92 '


(3.10)де штп імовірності переходів m n; 9і кратність виродже­ння відповідних рівнів.

Ь рис. 3.6 б бачимо, що у чотирирівневій схемі (при kT E2 E1) навіть незначне накопичення частинок на третьомурівні призводить до створення інверсійноїзаселеності,тобто гранична густина випромінювання накачування за інвер­сією (pv)П0Р у чотирирівневій схемі практично дорівнює нулю. Оскільки тут не враховувалися втрати в активній речовині, ре­альне значення густини оптичного накачування в активних ма­теріалах, що реалізують цю схему, більше, але може бути дуже малим.

Так само, як і в трирівневій схемі, залежність заселеності рівнів у режимі генерації відрізнятиметься від зображеної на рис. 3.6 б. За рахунок інтенсивних вимушених переходів з ви­промінюванням у каналі генерації 3 о 2 значення N3 буде зменшуватися, а N2 зростати, приводячи до насичення кое­фіцієнта підсилення.

Необхідно зазначити деякі моменти, що належать як до три-рівневих схем, так і до чотирирівневих [22].

1.  Для виключення термічного виродження необхідно, щоб енергетичні відстані між рівнями E4 E3 і E2 E1 були більші за kT. Однак вони не повинні бути занадто великими, оскільки в протилежному випадку більша частина енергії накачування ви­трачатиметься даремно. Це призведе до зменшення ККД у ме­жах n < eIeI і розігрівання активної речовини, або до випадку коли надлишкова енергія при релаксаційних процесах виділя­тиметься у вигляді тепла.

2.  При оптичному накачуванні, коли джерело накачування випромінює в широкій області спектра, необхідно, щоб верхній рівень E4 (або система рівнів) був достатньо широким. Це не­обхідно для більш повного використання енергії накачування.

3.  Для виключення самопоглинання, що призводить до пе­реходів E1 E2 і E3 E2, бажано, щоб релаксаційні процеси відбувалися за рахунок неоптичних безвипромінювальних пе­реходів.

Час життя на верхньому лазерному рівні E3 повинен ви­значатися випромінювальними процесами, а ймовірність без­випромінювальних переходів із цього рівня має бути мінімаль­ною.

 

Питання для самостійного контролю

1.  Дайте визначення головним квантовим числам електрона та атома, їх дозволеним значенням та наведіть їх фізичний зміст.

2.  Перелічіть та коротко опишіть основні методи створення інверсійної заселеності в газових активних середовищах.

3.  Поясніть особливості створення інверсійної заселеності у напівпровідниках.

4.  Запишіть вираз для інверсійної заселеності в напівпро­відниках для прямих та непрямих міжзональних переходів.

5.  Перелічіть та коротко опишіть основні методи створення інверсійної заселеності в напівпровідниках.

6.  Перелічіть та коротко опишіть основні методи створення інверсійної заселеності у твердотільних активних середовищах.

7.  Охарактеризуйте метод оптичного накачування, вкажіть на джерела, які для цього можуть використовуватися.

8.  Опишіть методи та пристрої, що використовуються для підвищення ефективності оптичного накачування.

9.  Охарактеризуйте особливості твердотільного активного середовища, вкажіть на функції матриці - носія та іонів - акти­ваторів.

 

10.  Перелічіть основні вимоги до речовини матриці - носія у твердотільних активних середовищах.

11.  Перелічіть основні вимоги до активаторів у твердотіль­них активних середовищах.

12.  Охарактеризуйте випадок слабкої взаємодії кристалі­чного поля і поля іонів - активаторів. Запишіть приклади від­повідних активних середовищ.

13.  Охарактеризуйте випадок середньої взаємодії кристалі­чного поля і поля іонів - активаторів. Запишіть приклади відпо­відних активних середовищ.Охарактеризуйте випадок сильної взаємодії кристалі­чного поля і поля іонів - активаторів. Запишіть приклади від­повідних активних середовищ.

14.  Проаналізуйте можливість створення інверсійної за­селеності в дворівневих схемах під час використання методу оптичного накачування.

15.  Охарактеризуйте сутність методу кінетичних рівнянь, що використовуються для аналізу динаміки змін заселеностей ро­бочих енергетичних рівнів замкненої квантової системи.

16.  Запишіть системи кінетичних рівнянь для дворівневої, трирівневої та чотирирівневої схем при врахуванні можливих переходів між рівнями та використання методу оптичного на­качування.

17.  Перелічіть та поясніть суть основних вимог до власти­востей трирівневих та чотирирівневих схем.

18.  Поясніть механізм створення інверсійної заселеності та генерування фотонів у трирівневій схемі першого типу.

19.  Поясніть механізм створення інверсійної заселеності та генерування фотонів у трирівневій схемі другого типу.

22. Поясніть механізм створення інверсійної заселеності та генерування фотонів у чотирирівневій схемі, поясніть її перева­ги порівняно з трирівневою схемою.Розділ 4

 

ВЛАСТИВОСТІ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

 

Властивості лазерного випромінювання принципово відрі­зняються від властивостей оптичного випромінювання. Основ­ними властивостями лазерного випромінювання є:

     монохроматичність;

     когерентність;

     напрямленість;

     високий ступінь поляризації;

     потужність і яскравість.

Потужність лазерного випромінювання в безперервному режимі може бути близько 105 106 Вт, в імпульсному до 10121013 Вт, при цьому вдається досягти інтенсивності близь­ко 1012 1016 Вт/ш2. Ці потужності можуть бути сконцентро­вані в надзвичайно вузьких спектральних і часових інтервалах. Тривалість імпульсу випромінювання в лазерах, що працюють у режимі синхронізації мод, може становити 10 -12 —10 - 13с, а спе­ціальними методами зменшується до 10 - 15с (за цей час світло проходить усього 3 • 10-5см), тобто лазери мають дуже високий ступінь концентрації енергії в часі [22], [19], [20].

 

4.1. Монохроматичшсть

 

Монохроматичність характеризує ступінь концентрації ("розмитості") випромінювання за спектром, або здатність джерела (лазера) випромінювати у вузькому діапазоні частот (довжин хвиль). Реальне випромінювання, як правило, є сумою деякої кількості монохроматичних хвиль. Чим вужчий інтервал,до якого належать частоти спостережуваного випроміню­вання, тим воно більш монохроматичне. Наприклад, спектр випромінювання, який відповідає деяким лініям вільних атомів розрідженого газу, дуже близький до монохроматичного. Проте принципово, хоча б із причини кінцевої ширини енергетичних рівнів та часу життя атома чи молекули у збудженому стані, ідеально монохроматичного випромінювання не існує.

Для кількісної характеристики ступеня монохроматичності користуються деякими параметрами, загальною рисою яких є залежність від добротності спектральної моди (лінії), що збу­джується в резонаторі. Так, наприклад, відносна ширина спе­ктральної моди є оберненою величиною добротності коливання і визначається як Дш/ш0 (АЛ/Л0), де Дш (ДА) ширина спе­ктральної лінії на рівні 0,5 від її максимуму, або спектральний діапазон, який займає група ліній, ш0 (Л0) відповідає максиму­му спектра випромінювання.

Якщо розглядати випромінювання як набір хвильових цу­гів, що характеризуються тривалістю в часі т, то відношення Дш = 22 визначає ступінь розмитості частотного спектра, або ступінь монохроматичності випромінювання. В цьому випадку т відповідає часу когерентності. На рис. 4.1 показані відмінно­сті ідеально монохроматичної хвилі, яка постійно генерується, та цугу хвилі, що відповідає кінцевому часу переходу електрона зі збудженого стану.

Також необхідно відмітити, що при генерації в імпуль­сному режимі спектр випромінювання буде розширеним до Avgen = 2jr, де Tt тривалість імпульсу. Теоретично ме­жа ширини спектральної лінії визначається двома факторами: 1) шумами за рахунок теплового випромінювання в резонато­рі; 2) шумами за рахунок спонтанного випромінювання активної речовини. В оптичному діапазоні перші шуми є менш істотними порівняно зі спонтанними. Тому якщо враховувати тільки шуми спонтанних переходів і не звертати уваги на внутрішні втрати,
то з'ясовується, що спектр вихідного випромінювання має ло-ренцевий контур, а його напівширина визначається формулою Шувалова - Таунса [17], [15], [19], [22], [31]:

(4.1)де P вихідна потужність лазерного випромінювання; vgen частота генерації вихідного випромінювання; Avgen напів­ширина спектра вихідного випромінювання; vc, Avc частота та напівширина моди резонатора відповідно; Avc = 1/2птс = Yc0/2nL (тс час життя фотона у резонаторі; 7 коефіцієнт пропорційності пов'язаний з коефіцієнтом підсилення; L дов­жина резонатора). Ширина спектральної лінії, що генеруєтьсялазером в одномодовому режимі, буде істотно меншої величини. Для лазера, що працює в багатомодовому режимі монохрома­тичність пов'язана з кількістю мод, що генеруються, і може ста­новити декілька ГГц. Якщо всередині резонатора знаходиться активне середовище, яке компенсує втрати на частоті генерації, то для такої моди в режимі генерації Q оо і Аш 0.


Для пояснення вищенаведеної формули, яка відповідає ви­падку стаціонарної безперервної генерації на одній моді в одно-частотному режимі, необхідно розглянути ефект зміщення або затягування частоти генерації [19], [31], що зображений на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 Затягування частоти та спектр вихідного випромінювання в одномодовому лазері (1 лінія лазерного переходу; 2 спектр вихідного випромінювання; 3 мода

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка