Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
населенность уровней уменьшается с энергией. Поэтому до накачки п\ > П2 >
Инверсная населенность создается с помощью электромагнитного излучения
накачки, вызывающего переходы между уровнями. Пусть частота излучения
накачки соответствует переходу Е% -> Е\. Это излучение увеличивает
населенность третьего уровня. Спонтанное и вынужденное излучения (и
некоторые другие процессы) возвращают атомы в основное состояние. Даже
при отсутствии таких процессов количество атомов, находящихся на третьем
уровне, из-за вынужденного излучения не может превзойти их количества в
основном состоянии. Инверсная населенность между первым и третьим
уровнями, таким образом, достигнута быть не может. Однако населенность
третьего уровня может превзойти населенность второго. Может также
случиться, что на первом уровне останется меньше частиц, чем на втором.
Первый из этих случаев реализуется, когда второй уровень близок к
третьему (рис. 91 а). При этом населенности второго и третьего уровней
близки уже при тепловом равновесии и добавление атомов на третий уровень
приводит к их инверсной населенности (это добавление может быть довольно
значительным, потому что на первом уровне находится много атомов). Вторая
возможность может оказаться важной, если второй уровень близок к первому
(рис. 91 б).
248
Глава 10
Описанная методика хорошо работает в радиодиапазоне, где существуют
хорошо разработанные способы генерации колебаний с любой заданной
частотой (в нашем случае с частотой, соответствующей переходу 1 -> 3). В
оптическом диапазоне такие способы отсутствуют и метод становится
малоэффективным.
Трехуровневые системы, предназначенные для использования в оптическом
диапазоне, работают по другой схеме (рис. 92). Излучение накачки и в этом
случае переводит атомы из состояния 1 в состояние 3. Из состояния 3 атомы
могут либо вернуться в 1, либо перейти в 2. На втором уровне атомы
накапливаются. Населенность этого уровня увеличивается и со временем
начинает превышать населенность первого.
Для работы по трехуровневой схеме в оптическом диапазоне годятся далеко
не любые тройки уровней. Прежде всего первый уровень должен быть плотно
населен. Им обычно является основной уровень или уровень, очень близкий к
основному. Необходимо, далее, чтобы уровень 2 был долгоживущим,
метастабильным. Только при этом условии на втором уровне можно накопить
достаточное количество атомов, превосходящее их число в основном
состоянии. Вероятность переходов связана с шириной уровня соотношением
неопределенностей АЕт ~ h. Уровень 2 поэтому должен быть узким. Легко
видеть, что уровень 3, наоборот, должен быть очень широким. Лишь в этом
случае удается полезно использовать заметную часть спектра оптического
излучения накачки. Чаще всего роль уровня 3 играет широкая полоса. Ясно
также, что переход 3^2 должен происходить с большой вероятностью,
желательно, большей, чем переход 3 -> 1. Переход 3^2 нередко является
"безызлучательным"; в таких переходах излишняя энергия атома передается
не кванту, а кристаллической решетке (твердые тела) или сталкивающимся
атомам (газы).
Отметим важный недостаток трехуровневой схемы. Как уже отмечалось, при
работе в оптическом диапазоне населенность уровня 2 до накачки исчезающе
мала по сравнению с населенностью первого уровня. На предшествующее
генерации выравнивание населенностей приходится тратить много энергии,
которая пропадает бесполезно. Этого недостатка лишены четырехуровневые
системы.
Рис. 92. Схема получения инверсной населенности в трехуровневой системе
(лазеры).
§48. Методы создания инверсной населенности уровней 249
В четырехуровневой системе (рис. 93 а) рабочий переход происходит между
уровнями 3 и 2, ни один из которых не совпадает с основным. Накачка
переводит атомы из основного (первого) состояния в четвертое. Третий
уровень заселяется с четвертого. Четырехуровневые системы применяются как
в оптическом, так и в радиодиапазоне. В оптической области существенное
отличие четырехуровневых систем от трехуровневых заключается в том, что
нижний рабочий уровень (в нашем случае - второй) с самого начала
оказывается пустым или почти пустым. Поэтому даже небольшое количество
атомов, появившихся на третьем уровне, приводит к его инверсивной
населенности по отношению ко второму.
Заселение верхнего уровня
а
и
3
и
а
К
Рабочий
переход
Освобождение нижнего уровня
а
и
3
и
а
К
Рабочий
переход
Рис. 93. а - Схема четырехуровневой системы с рабочим переходом между
уровнями 3^2 (оптические лазеры); б - генерация колебаний с частотой,
превосходящей частоту накачки (квантовые генераторы радиодиапазона).
В радиодиапазоне все уровни четырехуровневой системы (или, по крайней
мере, нижние два) могут иметь сравнимую населенность. Тогда возникает
возможность генерировать колебания более высокой частоты, чем частота
накачки. Для этого нужно, например, чтобы накачка происходила со второго
уровня на четвертый, а рабочий переход - с третьего на первый уровень
