На первый взгляд инверсию населенности можно создать в среде с двумя энергетическими уровнями Е 1 и Е 2 >Е 1. Например, это можно попытаться сделать путём облучения среды фотонами с частотой . Т.к. в нормальных условиях N 2 Е 2 , чем Е 2 => Е 1 .

Однако, когда населенности окажутся равными N 2 =N 1, процессы вынужденного излучения и поглощения будут компенсировать друг друга и инверсию создать будет невозможно.

Поэтому для лазеров применяют среды, в которых частицы могут занимать не два, а три или четыре уровня

С случае трехуровневой системы (рис.) уровень Е 2 должен быть метастабильными, т.е. время жизни частицы на этом уровне намного превышает время жизни на других уровнях возбуждённого состояния. Это означает, что W 21 <N 1 , которая используется для генерации лазерного излучения за счёт перехода Е 2 => Е 1 . Причём переход Е 3 => Е 2 происходит без излучения с передачей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Пример такой среды – рубин с примесью ионов хрома.

В случае четырехуровневой системы метастабильным является уровень Е 2 , при этом W 21 <N 1 , которая используется для генерации лазерного излучения - за счёт перехода с Е 2 на Е 1 . Затем происходит быстрый переход с Е 1 на Е 0 без излучения. В четырехуровневой системе создать инверсию населенностей проще, т.к. уровень Е 1 первоначально заселен очень мало и уже при незначительном переводе частиц на уровень Е 2 создается инверсия населенностей. Пример – стекло с неодимом, а также газовая активная среда, применяемая в газовых СО 2 - лазерах. Создание инверсии населенностей в активной среде называется процессом накачки (или просто накачкой ).

При хаотическом тепловом движении распределение энергии среди атомов неравномерно. Некоторая часть атомов возбуждена, что соответствует их нахождению на более высоких, чем основной, уровнях энергии. В условиях теплового равновесия и при отсутствии внешнего электромагнитного поля большая часть атомов обладает минимумом энергии. Образно говоря, населенность верхних уровней меньше населенности нижних.

Под влиянием энергетических воздействий - повышения температуры, освещения, бомбардировки быстрыми частицами - доля возбужденных атомов возрастает, т. е. населенность верхних уровней увеличивается. Этот процесс иллюстрируется рисунком 102, а, б.

Казалось бы, по мере повышения температуры можно получить такое распределение частиц по уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних. Но это не так. Ведь возбужденное состояние неустойчиво. По мере увеличения заселенности верхних уровней увеличивается вероятность спонтанных переходов, которые сопровождаются излучением.

В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант высказал предположение о возможности создания такого распределения частиц по энергиям, при котором число возбужденных атомов больше числа атомов, находящихся в основном состоянии (рис. 102, в). Такое состояние называют состоянием с инверсной населенностью уровней (от латинского inversio - переворачивать).

Выясним, какие особые свойства присущи состоянию с инверсной населенностью уровней.

При распространении света в веществе обычно происходит поглощение света. Это происходит потому, что в состоянии термодинамического равновесия число невозбужденных атомов в веществе много больше, чем число возбужденных, и, следовательно, фотоны чаще взаимодействуют с невозбужденными атомами, т. е. поглощаются веществом.

В веществе же с инверсной населенностью уровней число возбужденных атомов больше числа невозбужденных. При этом уменьшается вероятность встречи фотонов с невозбужденным атомом, т. е. уменьшается вероятность поглощения фотонов. Вещество становится более прозрачным или даже способным усиливать свет. Действительно, если в нем движется фотон, энергия которого в точности равна разности энергий атомов в состояниях (рис. 102, в), то, взаимодействуя с возбужденным атомом, такой фотон вызовет индуцированное излучение. В результате появится второй такой же фотон. Взаимодействуя с другими двумя возбужденными атомами, эти два фотона вызовут высвечивание еще двух атомов. В конечном счете вместо одного фотона из вещества выйдет много фотонов, что является усилением света. Усилению света способствует то обстоятельство, что фотоны с частотой

слабо поглощаются веществом. Среду называют активной, если в ней число индуцированных фотонов превышает число поглощенных.

Эти особенности сред с инверсной населенностью уровней были установлены в 1951 г. В. А. Фабрикантом, М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой.

В 1964 г. Государственный комитет по делам изобретений и открытий выдал этим ученым диплом на открытие, в котором, в частности, говорится: «Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии».

Для того, чтобы поучить усиление падающего света, необходимо каким-либо образом обратить населенность уровней. Т.е. сделать так, чтобы большему значению энергии соответствовало и большее число атомов . При этом говорят, что совокупность атомов имеет инверсную (обратную) населенность уровней.

Отношение числа атомов на уровнях и равно:

В случае инверсной населенности . Отсюда следует, что показатель экспоненты должен быть больше нуля ‑ . Но . Следовательно, чтобы показатель экспоненты был больше нуля, необходимо чтобы температура была отрицательной ‑ .

Поэтому состояние с инверсной населенностью уровней называют иногда состоянием с отрицательной температурой. Но это выражение носит условный характер, потому что само понятие температуры применимо к равновесным состояниям, а состояние с инверсной населенностью является неравновесным состоянием.

В случае инверсной населенности, свет, проходя через вещество, будет усиливаться. Формально это соответствует тому, что в законе Бугера коэффициент поглощения будет отрицательным. Т.е. совокупность атомов с инверсной населенностью уровней можно рассматривать как среду, с отрицательным коэффициентом поглощения.

Итак, для усиления света веществом нам необходимо создать инверсную населенность уровней этого вещества. Посмотрим, как это делается на примере рубинового лазера.

Рубин представляет собой окись алюминия , в которой некоторые атомы алюминия заменены атомами хрома . Этот рубин облучают широким спектром частот электромагнитных волн. При этом ионы хрома переходят в возбужденное состояние (см. рис. 4). Ионы алюминия в этом деле заметной роли не играют.

Состояние с энергией представляет собой целую полосу, вследствие взаимодействия ионов с кристаллической решеткой. С уровня для ионов хрома возможны два пути.

1. Возвращение в исходное состояние с энергией с испусканием фотона.

2. Переход в метастабильное состояние с энергией путем теплового взаимодействия с ионами кристаллической решетки алюминия.

Время жизни на уровне как и обычно, равно времени жизни в возбужденном состоянии ‑ . Спонтанный переход на уровень обозначен стрелкой , а переход на метастабильный уровень обозначен стрелкой .

Расчеты и эксперимент показывают, что вероятность перехода много больше вероятности перехода . Кроме того, переход из метастабильного состояния с энергией в основное состояние запрещен правилами отбора (правила отбора не абсолютно строги, они указывают лишь большую или меньшую вероятность перехода).

Поэтому время жизни на метастабильном уровне составляет , что в сто тысяч раз превышает время жизни на уровне .

Таким образом, при достаточно большом числе атомов хрома может возникнуть инверсная населенность уровня ‑ число атомов на уровне превысит число атомов на уровне , т.е. может получиться то, что мы желаем.

Спонтанный переход с уровня на основной уровень обозначен стрелкой , Возникающий при этом переходе фотон может вызвать вынужденное излучение следующего фотона, который обозначен стрелкой . Этот еще одного и т.д. Т.е. образуется каскад фотонов.

Рассмотрим теперь техническое устройство рубинового лазера.

Он представляет собой стержень, диаметром порядка и длиной . Торцы стержня строго параллельны друг другу и тщательно отшлифованы. Один торец представляет собой идеальное зеркало, второй ‑ полупрозрачное зеркало, пропускающее около падающей энергии.

Вокруг рубинового стержня устанавливают несколько витков лампы накачки ‑ ксеноновой лампы, работающей в импульсном режиме.

Итак, в теле стержня образовались вынужденные фотоны. Те фотоны, направление распространения которых составляет малые углы с осью стержня, будут многократно проходить стержень и вызывать вынужденное излучение метастабильных атомов хрома. Вторичные фотоны будут иметь то же направление, что и первичные, т.е. вдоль оси стержня. Фотоны другого направления не разовьют значительный каскад и выйдут из игры. При достаточной интенсивности пучка часть его выходит наружу.

Рубиновые лазеры работают в импульсном режиме с частотой повторения несколько импульсов в минуту. Кроме того, внутри них происходит выделение большого количества тепла, поэтому их приходится интенсивно охлаждать.

Рассмотрим теперь работу газового лазера, в частности гелий-неонового.

Он состоит из кварцевой трубки, внутри которой находится смесь газов гелия и неона. Гелий находится под давлением , а неон под давлением , при этом атомов гелия приблизительно в 10 раз больше, чем атомов неона. Основными излучающими атомами здесь являются атомы неона, а атомы гелия играют вспомогательную роль для создания инверсной населенности атомов неона.

Подкачка энергии в этом лазере осуществляется за счет энергии тлеющего разряда. При этом атомы гелия возбуждаются и переходят в возбужденное состояние ( см. рис. 5) . Это состояние для атомов гелия является метастабильным, т.е. обратный оптический переход запрещен правилами отбора. Поэтому атомы гелия могут перейти в невозбужденное состояние, передавая энергию атомам неона при столкновениях. Вследствие этого атомы неона приходят в возбужденное состояние , которое близко состоянию для гелия. Атомы неона возбуждаются как за сет энергии тлеющего разряда, так и за счет столкновений с атомами гелия.

Кроме того разгружают уровень , подбирая такие размеры трубки, чтобы атомы неона, находясь на уровне , при соударениях со стенками передавали бы им энергию, переходя на основной уровень.

Вследствие этих процессов происходит инверсная населенность уровня для неона. С уровня возможен переход на уровень .

Основным конструктивным элементом этого лазера является кварцевая газоразрядная трубка, диаметром около . В ней расположены электроды для создания электрического разряда. По торцам трубки расположены плоско-параллельные зеркала, одно из которых, переднее, полупрозрачное. Условия для усиления возникают только у тех фотонов, которые вылетают параллельно оси лазера.

Рабочей частотой лазера является переход . Правилами отбора разрешено около тридцати переходов. Для выделения одной частоты зеркала делают многослойными, настроенными на отражение только одной определенной волны. Широко распространены лазеры, излучающие волны с длиной . Но наиболее интенсивным является переход с длиной волны , т.е. в инфракрасной области спектра.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении.

Отличительными особенностями лазерного излучения являются.

1. Временная и пространственная когерентность.

2. Строгая монохроматичность .

3. Большая мощность

4. Узость лазерного пучка.

Лекция 15. (2 часа)

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.

Принцип минимума потенциальной энергии:

Любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна. Такое состояние является энергетически выгодным и наиболее устойчивым.

В соответствии с этим принципом, количество атомов активного вещества лазера, находящихся на нижнем энергетическом уровне, всегда больше, чем количество возбужденных атомов. При отключенной системе накачки населенность нижнего энергетического уровня максимальна, а наверху, на возбужденном уровне, атомов вообще нет или их крайне мало.

При включении накачки положение начинает меняться: часть атомов переходит в категорию «возбужденные». Чем больше мощность накачки, тем больше становится населенность верхнего уровня и меньше – нижнего.

Чем больше становится возбужденных атомов, тем больше вероятность переходов обратного направления, за счет спонтанного и индуцированного излучения. Но фотонные лавины возникать еще не могут.

Мы обсуждаем двухуровневую систему накачки: система накачивает атомы энергией, переводя их в возбужденное состояние, а они, спонтанно или через индуцированное излучение, соскакивают обратно, вниз.

Теория и практика показали, что максимум достижимого при работе двухуровневой системы накачки – динамическое равновесие при достижении численного равенства населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней.

Но для работы лазера этого мало! «Наверху» атомов должно быть больше, чем «внизу».

Инверсная населенность - состояние активного вещества, при котором атомов, находящихся на возбужденном энергетическом уровне, больше , чем на нижнем, основном уровне .

Преодолеть ограниченные возможности двухуровневой системы накачки удалось с помощью системы трехуровневой. Появились и системы, имеющие большее число уровней.

Естественной для атомов является длительность их пребывания в возбужденном состоянии порядка τ 1 = 10 -8 с. Преодолеть такую быстроту возврата возбужденных атомов в устойчивое основное состояние удалось благодаря тому, что в квантовых системах могут существовать метастабильные состояния, с временем жизни τ , много большим, чем τ 1 = 10 -8 с. Метастабильное состояние (от греч. μετα «через» и лат. stabilis «устойчивый») – состояние квазиустойчивого равновесия, в котором система может находиться длительное время.

Длительность метастабильного состояния возбужденных атомов может достигать  2 = 10 -3 с. Обратите внимание: τ 2 > τ 1 в 100000 раз; и за такое время вполне удается создавать инверсную населенность, «перехитрив» принцип минимума потенциальной энергии. На рис. 3 представлена схема энергетических уровней трехуровневой системы накачки.

Рис. 3 Схема трехуровневой системы накачки.

Трехуровневая система накачки переводит атомы активного вещества на уровни Е 2 и Е 3 . При этом активное вещество имеет в окрестностях уровня Е 3 множество близко расположенных энергетических уровней с коротким временем жизни возбужденного состояния τ 3 . На схеме они не показаны; Е 3 – среднее значение их энергии.

Кванты, близкие к Е 3 , имеют повышенную вероятность быть поглощенными: любой квант энергии системы накачки на каком-нибудь из этих многих уровней пригодится, будет поглощен. Суммарный эффект: система накачки эффективно работает на повышение населенности энергетического уровня Е 3 благодаря тому, что он «широк по вертикали» за счет семейства близких уровней.

На схеме рис. 3 наклонной стрелкой показан переход с уровня Е 3 на уровень Е 2 , что символизирует безизлучательный переход возбужденных атомов на уровень Е 2 , благо обстановка позволяет: вместо большого перепада Е 3 – Е 2 имеется нечто в роде лесенки близких уровней.

Вклад «узкого» уровня Е 2 в создание своей же инверсной населенности есть, но он – гораздо скромнее.