Усиление оптического излучения, страница 3

         Рассмотрим  три частных случая:

         1) n1 > n2 =>   n2 n1 < 0   =>  χус < 0  => G1 < 1 => IL  < I0 – поглощение в среде. При значении χус L = 1 имеем G1 = е–1;

         2) n1 = n2 =>  n2 n1 =0   =>  χус = 0  => G1 = 1 => IL  = I0 – режим просветления среды.  При всех значениях χус L  коэффициент усиления G1 = 1;

         3) n1 < n2 =>   n2 n1 > 0   =>  χус > 0  => G1 > 1 => IL  > I0 – усиление излучения. При  χус L = 1 имеем G1 = е.

В реальных условиях активные среды не идеально прозрачны и показатель поглощения конечен. Перепишем выражение (2.1) для приращения плотности потока с учетом паразитного поглощения за счет оптического несовершенства среды, вызывающего убыль потока квантов:

dIν = χусIν dz – χп Iν dz = (χус – χп) Iν dz.

После интегрирования получим IL = I0 exp (χусχп)L и, соответственно,

G1  =  exp (χусχп)L.                                           (2.5)

         По сравнению с (2.4) выражение (2.5) для G1 является более полным. В частном случае пассивной среды, когда усиление отсутствует (χус  = 0),  из (2.5) получается экспериментальный закон Бугера в интегральной форме, справедливый  для  поглощающих  оптических сред:  G1 = τ =  exp (χпL), где τ – коэффициент пропускания среды.

2.4. Схемы создания инверсии населенностей

Создание инверсии населенностей – это локальное нарушение равновесного, больцмановского распределения частиц по энергетическим уровням. При инверсии населенностей концентрация частиц на верхнем уровне превышает концентрацию на нижнем уровне  и Δn = n2 n1 > 0. Рассмотрение схем создания  Δn начнем с простейшей схемы.

1.  Двухуровневая схема(рис. 2.4). Чтобы в двухуровневой схеме превалировало индуцированное излучение, необходимо выполнить условие: B21wν >> А21↓= 1/t2. Следовательно, энергетическое состояние W2 должно быть метастабильным (долгоживущим).

Рис. 2.4. Энергетическая диаграмма двухуровневой схемы

 Из соотношения Гейзенберга ΔW2t2 ћ следует, что увеличение времени t2 жизни частицы в возбужденном состоянии приведет к уменьшению степени  размытия  верхнего ΔW2 энергетического состояния. Для системы возбуждения (накачки АС) узкий энергетический уровень представляет собой мишень малого размера (рис. 2.5). Передать энергию такому энергетическому уровню сможет лишь малая часть возбуждающих частиц. КПД возбуждения  ηвоз = S2 ↓/S1 окажется низким.

Рис. 2.5. К определению КПД возбуждения