Полное число частиц в двухуровневой схеме n0 = n2 + n1. Для обеспечения усиления требуется n2 ≥ n1. Тогда инверсия станет возможной лишь при n2 > n0/2. Иными словами, потребуется возбудить не менее 50 % всех частиц среды! Двухуровневая схема является низкоэффективной и затратной. Кроме того, двухуровневая схема не позволяет использовать оптическое возбуждение АС. В этом случае первоначально n1 > n2. При подводе энергии возбуждения n1 будет уменьшаться, а n2 увеличиваться. Когда концентрации выравняются, потоки квантов по схеме 2→1 и 1→2 уравняются. Среда станет просветленной, но инверсия в ней возникнуть не сможет. Недостатки двухуровневой схемы исключают ее реализацию на практике.
2. Трехуровневая схема (рис. 2.6). Третий дополнительный уровень в схеме призван устранить узкое место – повысить эффективность возбуждения за счет высокой степени его энергетического размытия (Δ W3↑→ ηвоз ↑), что возможно при малом времени t3. Частицы, возбужденные на уровень 3, должны быстро релаксировать за счет спонтанных переходов (А32↑↑) и накапливаться на уровне 2. Для уменьшения потерь энергии возбуждения прямые переходы типа 3→1 должны быть запрещены (А31 ↓↓). Оптические переходы типа 2→1 формируют канал индуцированного излучения, которое должно преобладать над спонтанным: B21 wν >> А21 = 1/t2↑↑.
В стационарном режиме концентрации частиц на уровнях не должны изменяться, что означает: dn1 /dt = dn2 /dt = dn3 /dt. Так как абсолютные времена жизни малы, заменим скорости изменения концентраций на отношения ni /ti и запишем: n1 /t1 = n2↑↑ /t2↑↑ = n3↓↓ /t3↓↓. Отсюда следует, что при малом t3 населенность уровня 3 должна быть незначительной и ею можно пренебречь: n0 = n1 + n2 + n3 = n1 + n2. Следовательно, для создания инверсии, как и в двухуровневой схеме, потребуется выполнить условие n2 > n0/2. Трехуровневая схема осталась затратной, с высоким порогом возбуждения.
3. Четырехуровневая схема (рис. 2.7). Как и в трехуровневой схеме, для повышения эффективности возбуждения четвертый уровень должен иметь высокую степень энергетического размытия (ΔW4↑), а значит малое время жизни: t4 ↓↓→ Δ W4↑↑→ ηвоз ↑.
Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма Рис.
2.7. Энергетическая
диаграмма
трехуровневой схемы четырехуровневой схемы
В процессе девозбуждения частицы с уровня 4 должны спонтанно переходить только на верхний уровень канала генерации 3→2. Паразитные спонтанные переходы в каналах 4→2 и 4→1 должны быть запрещены: А43 >> А42; А41. В канале 3→2 генерации индуцированных квантов должно выполняться условие: B32 wν >> А32; А31, т. е. энергетическое состояние 3 должно быть метастабильным (t3↑).
Для стационарного режима четырехуровневой схемы условие равенства скоростей изменения концентраций n1 /t1 = n2 /t2 = n3 /t3 = n4 /t4 трансформируем к виду n3 /t3 = n2/t2 и получим n3 = t3↑ / t2↓n2. Таким образом, в четырехуровневой схеме инверсия населенности может быть реализована путем соответствующего подбора времен жизни частиц в возбужденных состояниях W3 и W2. Четырехуровневая схема и ее модификации – практически единственная схема, на основе которой реализуется инверсия населенностей в активных средах.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.