Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
^K)=P(Sm,-SL). (19.25)
Расчеты, проведенные для резонатора Фабри — Перо, показывают [497], что мощность генерации во всем объеме активно-
312
го вещества V и поток генерации Si;, выходящий через оба зеркала, связаны с ifij соотношениями
(19.26)
кг + Р
= VgKljUijV
кт+ р
(19.27)
Из формул (19.26), (19.27) в качестве частных случаев
следуют выражения для порога и мощности генерации трех- и четырехуровневого генераторов, которые подробно исследованы в работах [146, 421, 435, 573—578], где изучена зависимость порога и мощности генерации лазеров от вероятностей переходов, ширины линий, вырождения уровней и температуры. В этих работах выяснено также влияние на процесс генерации дополнительных уровней энергии, которые участвуют в поглощении возбуждающего света или генерируемого излучения, и рассчитан порог генерации с учетом перекрытия линии генерации и новой полосы поглощения, возникающей после перехода частиц в возбужденные состояния.
В формулы для порога и мощности генерации входят те же параметры, которые определяют спектральный состав и интенсивность поглощения, испускания, а также длительность, и квантовый выход люминесценции. Поэтому систематическое изучение спектрально-люминесцентных характеристик вещества может служить основой для поиска новых генерирующих сред [146, 435, 577].
Влияние резонатора на поглощение света и люминесценцию. При отсутствии оптического резонатора всегда можно выбрать такой достаточно малый объем вещества, при котором мощность поглощения и люминесценции в нем будут однозначными функциями вероятностей переходов и интенсивности возбуждающего света. Только в некоторых случаях приходится учитывать процессы перепоглощения и вторичной люминесценции.
Вещество, помещенное в резонатор, подвергается сильному воздействию не только накачки, но и усиленной люминесценции и генерируемого излучения. Возникают дополнительные вероятности вынужденных переходов, сравнимые или даже превосходящие по величине вероятности спонтанных переходов. Плотность энергии усиленной люминесценции и генерации определяется спектроскопическими свойствами вещества, накачкой и параметрами резонатора. Поэтому нет однозначной связи между населенностью уровней, мощностями поглощения и люминесценции, с одной стороны, и интенсивностью возбуждения данного конкретного вещества, с другой.
313.
1
/
Рис. 96. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы оптического квантового генератора. Стрелками показаны направления оптических переходов при возбуждении (wB) и в процессе генерации (Юг)
Все эти величины становятся функциями параметров резонатора.
С возникновением генерации в стационарном или квази-стационарном режимах плотность генерируемого излучения внутри резонатора поддерживается на таком уровне, что при всех накачках выше пороговой удовлетворяется энергетическое условие генерации (19.17) tiigj/gi—п^ — Ьцп.
В простейшей схеме трехуровневого лазера оптическая накачка производится в канале 1—3, а генерация происходит с уровня 2 (рнс. 96, а).
Если второй уровень метастабильный, то п3<^.т и щ<^.п2 практически при всех реально достижимых накачках [573]. В режиме генерации населенности второго и первого уровней будут связаны соотношением (19.17) при i = 2 и / = 1 и равенством п\ + п2 = п. Это означает, что населенности уровней не будут зависеть от плотности радиации накачки. Увеличение поступления частиц на метастабильный уровень с ростом и^\ компенсируется более интенсивными переходами 2-*-1 за счет увеличения вероятности индуцированных переходов *> (рис. 97). График «з на рис. 97 сливается с осью абсцисс. Когда значения ы3\ малы, величина практически постоянна, а п2 растет пропорционально из\ (сплошные кривые). Это — область линейной оптики. По мере накопления частиц на метастабиль-ном уровне населенность основного состояния падает, а рост п2 замедляется. Сплошная кривая n2(u%\), относящаяся к частицам вне резонатора, стремится к верхнему пределу, близкому к п. При «з1->-оо населенность первого и третьего уровней стремится к нулю (точнее к пр2\ /рю, если gi=git см. § 13).
Если вещество помещено в резонатор, то графики п{(и31) будут задаваться сплошными линиями только до порога генерации.
*> Это справедливо до тех пор, пока п3 пренебрежимо мало. В принципе З13и31 может стать сравнимым с Ац. Тогда начнет проявляться нелинейность в канале 3-»-1 и n3/gs будет стремиться к njg\.
При и31 >- «з| возникнет генерация и пх (ы31, «21), пг («31, ul\) останутся практически постоянными (пунктирные линии).
Как видно из рис. 97, б графики зависимости мощности поглощения возбуждающего света, генерации и люминесценции (Wfj = пгАи\ти) от плотности радиации накачки при щ—0 имеют тенденцию к насыщению, проявляющуюся в нарушении закона Бугера (§13) и в нелинейной зависимости W*,- от м31.
Введение отражающих зеркал приводит к накоплению внутри резонатора радиации частоты сог, преобладанию вынужденных переходов в 2-»-1 над спонтанными и под влиянием этого к резкому изменению оптических свойств вещества.
Появление значительных вынужденных переходов 2-*-1 равносильно снятию метастабильности второго уровня, играющей важную' роль в наступлении эфектов насыщения. Между первым и вторым уровнями происходит интенсивный обмен частицами, который по скорости может превосходить все остальные процессы в системе. Так как при этом числа П\ и п2 перестают зависеть от мощности накачки, в системе восстанавливаются все линейные зависимости оптических характеристик от мощности накачки «зь Мощность поглощения растет пропорционально «зь Мощность люминесценции также пропорциональна ЫзЬ что связано с линейной зависимостью «з от накачки. Поскольку значение «з на несколько порядков меньше п\ и п2, то линейный рост п3 с увеличением Ы31 практически не отражается на величинах пt и «2- В принципе с возникновением генерации люминесценция в канале 2-vl несколько подавляется, так как ^(и^фО) <п2(и^=0).
