Методы создания инверсии населенности

На первый взгляд инверсию населенности можно создать в среде с двумя энергетическими уровнями Е₁ и Е₂>Е_1. Например, это можно попытаться сделать путём облучения среды фотонами с частотой . Т.к. в нормальных условиях N₂<N₁(2.9), то поглощение будет преобладать над вынужденным излучением (2.4 и 2.6). Под действием облучения происходит больше переходов Е₁ => Е₂, чем Е₂ => Е₁.

Однако, когда населенности окажутся равными N₂=N_1, процессы вынужденного излучения и поглощения будут компенсировать друг друга и инверсию создать будет невозможно.

Поэтому для лазеров применяют среды, в которых частицы могут занимать не два, а три или четыре уровня

Рис. Рис.

С случае трехуровневой системы (рис. ) уровень Е₂ должен быть метастабильными, т.е. время жизни частицы на этом уровне намного превышает время жизни на других уровнях возбуждённого состояния. Это означает, что W₂₁<<W₃₂. Поэтому частицы будут быстро переходит на уровень Е₂, а там задерживается и скапливается. В результате может возникнуть инверсия населенностей N₂>N₁, которая используется для генерации лазерного излучения за счёт перехода Е₂ => Е₁. Причём переход Е₃ => Е₂ происходит без излучения с передачей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Пример такой среды – рубин с примесью ионов хрома.

В случае четырехуровневой системы метастабильным является уровень Е₂, при этом W₂₁<<W₃₂ и W₂₁<<W₁₀. При возбуждении частицы переходят с Е₀ на Е₃, затем быстро переходят с Е₃ на Е₂ без излучения и скапливаются на уровне Е₂. Возникает инверсия населенности N₂>N₁, которая используется для генерации лазерного излучения - за счёт перехода с Е₂ на Е₁. Затем происходит быстрый переход с Е₁ на Е₀ без излучения. В четырехуровневой системе создать инверсию населенностей проще, т.к. уровень Е₁ первоначально заселен очень мало и уже при незначительном переводе частиц на уровень Е₂ создается инверсия населенностей. Пример – стекло с неодимом, а также газовая активная среда, применяемая в газовых СО₂- лазерах. Создание инверсии населенностей в активной среде называется процессом накачки (или просто накачкой).