Изучение свойств излучения оптического квантового генератора на смеси гелия и неона (лабораторная работа), страница 3

           В условиях термодинамического равновесия уровни заселяются в соответствии с распределением Больцмана:

                                                         ,                                      (1.3)

где  и  – число атомов с энергией Е₀ и  – соответственно;

k – постоянная Больцмана.

          Таким образом, на более высоких энергетических уровнях ( > Е₀), концентрация атомов ниже ( <  ). В результате волна теряет энергии больше, чем приобретает, и имеет место поглощение света, согласно (1.1).

          Для получения оптического усиления () требуется осуществить инверсию в заселенностях уровней, когда . При этом вынужденные переходы Е₂ ® Е₁ поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов Е₁ ® Е₂, и световая волна усиливается. Среда с инверсной заселенностью, способная усиливать излучение, называется активной или средой с отрицательной температурой. Последнее определение связано с тем, что распределение по данной паре уровней энергии в таких неравновесных системах можно описать функцией распределения Больцмана (1.3), справедливой для равновесной системы, если формально считать температуру отрицательной. Отрицательная температура физического смысла не имеет, а является удобной математической величиной, характеризующей неравновесность системы.

          Состояние с инверсной населенностью является неравновесным, и для его создания требуются затраты энергии в том или ином виде, которые осуществляются системой накачки из внешнего источника. Методы накачки вещества с целью получения в нем инверсной населенности весьма разнообразны (оптическая накачка, электрический разряд, газодинамические методы, химические реакции и др.)

          Инверсная населенность не может быть получена, если в процессе накачки и генерации принимают участие только два энергетических уровня. В этом случае после достижения равенства населенностей  коэффициент поглощения  окажется равным нулю, а вещество станет прозрачным. Обычно используются трех- и четырех- уровневые системы расположения уровней атомов (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Трех-уровневая схема расположения уровней атомов

          В этом случае различные энергетические состояния имеют разное время жизни: время жизни в возбужденном состоянии Е₃ обычно  с, время жизни в так называемом метастабильном состоянии  Е₂ – больше. В результате  после накачки квантом энергии  уровень энергии Е₃ быстро опустошается за счет перехода Е₃ ® Е₂. Большое время жизни в состоянии Е₂ способствует накоплению в нем атомов и созданию инверсной населенности. Генерация в этом случае имеет место на переходе Е₂ – Е₁ = . Однако инверсная населенность является необходимым, но не недостаточным условием усиления. Излучение усиливается, если индуцированное излучение с избытком компенсирует все добавочные потери электромагнитной энергии в веществе. Для этого, согласно закону (1.2), необходима достаточно большая величина пути , которое излучение проходит в активной среде (»5 м). Усилитель такой длины осуществить трудно, поэтому при создании квантового генератора был использован принцип обратной связи. С этой целью вещество помещается внутри открытого резонатора (рисунок 1.1), образованного двумя параллельными зеркалами М₁ и М₂, отстоящими друг от друга на расстоянии . В наиболее благоприятных условиях находится волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора. Эта волна дойдет до одного из зеркал, отразится от него и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться и т.д. с каждым ходом волна усиливается все больше, пока плотность энергии в волне не достигнет некоторого предельного значения, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия сравняется с энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате в резонаторе устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачное зеркало наружу выходит поток когерентного излучения. При спонтанных переходах кванта излучаются равновероятно во всех направлениях. Под действием накачки заселенность возбужденных уровней увеличивается, поэтому растет по сравнению с равновесным и фон спонтанного излучения. Те кванты, которые распространяются в телесном угле вблизи оси резонатора, выполняют роль индуцирующего излучения, приводящего к генерации, так как они вызывают вынужденные переходы и являются родоначальниками размножения фотонов. Резонатор «выбирает» из всех излученных фотонов только те, которые имеют определенные частоты и направление распространения. Устойчивому усилению в резонаторах подлежит излучение таких длин волн, которые являются собственными колебаниями резонатора. Изменением положения зеркал М₁  и М₂ достигается настройка резонатора на определенную длину волны.