ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физические основы усиления и генерации лазерного излучения

Лазер — генератор излучения, когерентного во времени и пространстве, основанный на ис­пользовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находя­щийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энер­гетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систе­му излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужден­ного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее [22]. Предваритель­но за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Ен часть электро­нов с нижних равновесных уровней Е переходит на более высокие уровни, а затем оказыва­ется на уровне возбуждения Е2 (рис. 5.1).

Возвращение этих электронов с уровня Е2 на уровень Е сопровождается испусканием фотонов с длиной волны

=1,24/(Е2-Е0, (5.1)

Где А. — выражается в мкм; Е — в эВ.

Процесс перехода электронов с уровня Е2 на уровень Е может проходить по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора по­ляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1-3 на рис. 5.1). Такой процесс пере­хода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуж­дающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения.

Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных перехо­дов из энергетического состояния Е2 в £, (переходы 4, 5 на рис. 5.1). Такие переходы связа­ны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одно­временно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынуж­денное излучение — когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужде­нных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждаю­щим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии, используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазерными уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или зонами — лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными перехо­дами (из состояния Е2 в состояние Е — переходы 4, 5 на рис. 5.1) существуют спонтанные переходы из Е2 в Е1 (1-3 на рис. 5.1), а также переходы из Ех в более высокое энергетиче­ское состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6 на рис. 5.1).

Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излу­чения. Количество лазерных переходов за время Д/ можно в первом приближении выразить в виде

А^лоз= Вг бвын^г Д7, (5.2)

Где В21 — вероятность лазерного перехода; Qmm — энергия вынуждающего излучения; N2 — концентрация атомов в энергетическом состоянии Ег.

Спонтанные переходы из Е2 в Ех происходят самопроизвольно (т. е. от вынуждающего излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Ко­личество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде

Мат=-А2№Ы, (5.3)

Где Л2 — вероятность спонтанного перехода Е2 —> Е.

Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающего излуче­ния, определяется выражением

А'погл = - Япбвьш#, М, (5.4)

Где В2 — вероятность квантового перехода с поглощением излучения; N1 — концентрация

Атомов в энергетическом состоянии Е.

Полагая в первом приближении равенство вероятностей В2 = В2 = В, получаем условие лазерного усиления в виде

В{Иг - ЛГ,)(2ВЫИ - АиН2 > 0. (5.5)

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления

Можно записать как

Я2„ы„(^2 - ЛГО > 0 или ЛЛГ = (ЛГ2 - > 0.

В равновесном состоянии системы всегда N2 > Nr и лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носите­лей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.

Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных перехо­дов больше, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного пере­хода В2 и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют по­лучить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы в изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.

Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энер­гетических уровней подчиняется статистике Больцмана

N2/Nt = ехр Н£2 - £,)/(&)], (5-6)

Где N2 — населенность возбужденными атомами (в состоянии Е2) — населенность невоз­

Бужденными атомами (в состоянии Е).

Мальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазер­ное усиление невозможно,

Когда АЫ > 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей, и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов.

Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется актив­ной средой.

Таким образом, усиление вынужденного излучения, или лазерное усиление, требует, во-первых, инверсии населенностей (Л'2> Nх) и, во-вторых, подавления спонтанного излуче­ния (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется ус­ловие инверсии, называется порогом инверсии.