Резонансное усиление света

Пучок света, проходя через среду, обменивается квантами с атомами этой среды по средствам вынужденных переходов и сплошного испускания квантов. Рассмотрим этот процесс на примере 2х уровневой системы.

Пусть - концентрация атомов на нижнем и верхнем уровне. ω- частота излучения. – спектральная плотность излучения (объёмная).

1)Уменьшается в связи с вынужденным поглощением квантов атомами среды.

2)Увеличивается в связи с вынужденным излучением атомов.

ЗСЭ при вынужденных переходах запишем в следующем виде:

Введём величину , где v – скорость света в данной среде.

. Введём поток s=v , тогда:

Положим, что свет распространяется вдоль оси z, тогда: v- скорость распространения группового сигнала. = Проинтегрируя получим:

– закон Бюргера.

– поток, падающий на активную среду при =0, т.е. ;

В состоянии ТД равновесия справедливо распределение Больцмана для концентрации:

Т.к. , то , поэтому плотность потока с увеличением z уменьш-ся.

Причина: В поток возвращается лишь часть квантов при переходе с верхнего на нижний уровень, а именно: испущенные в результате вынужденных переходов кванты. А кванты, испущенные спонтанно, в поток не возвращаются. Если же нарушить равновесие системы атомов, то нарушим равновесие Больцмана и добьёмся условия: или , то свет мог бы распространяться в среде либо без поглощения, либо с усилением. И т.о. создав, условие мы получили бы, среду со свойствами усиления светового потока.

Усиления не будет: Пусть N – полная концентрация атомов, т.е.: N= ;

Изменение заселённости верхнего уровня происходит за счёт спонтанных и вынужденных переходов:

При достижении стационарного состояния: , тогда: ;

С увеличением плотности потока s, заселённость верхнего уровня приводит к изменениям: (РИС) График зависимости α от потока.

Из этого графика следует, что при любых s, и поэтому этот поток поглощается. При s->∞ наступает насыщение, поглощение прекращается. Принимается, что насыщение наступает при изменении α в 2 раза но сравнимо с минимальным значением, т.е. при изменении

И т.о. световой поток выравнивает заселённость уровней между которыми происходит вынужденные переходы, при большой плотности потока, но никакое значение s не способно создать инверсную заселённость м/д этими уровнями.(усл. при котор.

Инверсная заселённость можно создать лишь с помощью независимого от усиливаемого света воздействия на атомы и наиболее простой способ создания инверсной заселённости возможен в 3х уровневых системах. (РИС) – поднять с 1го уровня на 3й.

На уровне время жизни системы мало, и атомы спокойно переходят на уровень .

На уровне время жизни достаточно велико (метастабильный уровень)