Инверсная населенность энергетических уровней.
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 τ1 = 10-8с. 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 τ1 = 10-8с. 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 = 10-3с. Обратите внимание: τ2 > τ1 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 Е2 и Е3. При этом активное вещество имеет в окрестностях уровня Е3 множество близко расположенных энергетических уровней с коротким временем жизни возбужденного состояния τ3. На схеме они не показаны; Е3 – среднее значение их энергии.
Кванты, близкие к Е3, 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 Е3 благодаря тому, что он «широк по вертикали» за счет семейства близких уровней.
На схеме рис. 3 наклонной стрелкой показан переход с уровня Е3 на уровень Е2, что символизирует безизлучательный переход возбужденных атомов на уровень Е2, благо обстановка позволяет: вместо большого перепада Е3 – Е2 имеется нечто в роде лесенки близких уровней.
Но дальше сползать некуда: Е2 – это метастабильный уровень, на котором успеет возникнуть и будет поддерживаться инверсная населенность.
Вклад «узкого» уровня Е2 в создание своей же инверсной населенности есть, но он – гораздо скромнее.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 925; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!