Анализ механизма создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Определение зависимости населенностей уровней от плотности (интенсивности) возбуждающего излучения накачки

В системе, а, следовательно, и в ее решении вероятность перехода ω21 считалась постоянной, не зависящей от скорости накачки. Это справедливо в отсутствие генерации, когда опустошением уровня E2 за счет вынужденных переходов можно пренебречь. Если же активное вещество помещено в резонатор, то после превышения инверсии над некоторым пороговым значением начинает развиваться процесс генерации. Наличие интенсивного излучения на частоте ω21 и связанных с ним вынужденных переходов png"> и вызывает изменение населенности уровней. Возрастание интенсивности накачки ρн приводит к увеличению инверсии ∆N=N2-N1, а следовательно и к увеличению усиления. Увеличение поступления частиц на уровень E2, вызываемое ростом накачки, компенсируется возрастанием числа активных переходов 2→1. Поэтому в режиме генерации инверсия ∆N=N2-N1 остается приблизительно постоянной, как изображено пунктирными линиями на рис. 1.2, б). Ее значение примерно равно пороговой перенаселенности, при которой усиление превышает потери в генераторе и которая достигается при пороговой накачке, равной .

В заключение отметим следующие моменты, относящиеся к трехуровневым схемам.

а. Для исключения термического заселения необходимо, чтобы энергетические расстояния между уровнями E2→ E1 были больше kT. Однако они не должны быть слишком большими, поскольку в противном случае большая часть энергии накачки будет расходоваться бесполезно. Это приведет к уменьшению к.п.д. и разогреву активного вещества, если избыточная энергия при релаксационных процессах в конечном итоге выделится в виде тепла.

б. При оптической накачке, когда источник накачки излучает в широкой области спектра, необходимо, чтобы верхний уровень (или система уровней) был достаточно широким. Это нужно для более полного использования излучения накачки.

в. Для исключения самопоглощения, приводящего к переходам E1→ E2 желательно, чтобы релаксационные процессы осуществлялись за счет неоптических (безызлучательных) переходов.

г. Время жизни на верхнем лазерном уровне должно определяться излучательными процессами, а вероятность безызлучательных переходов с этого уровня должна быть минимальной.