де kω – погонний коефіцієнт поглинання (показник поглинання), що чисельно дорівнює оберненій величині відстані, на якій інтенсивність хвилі змінюється в е разів (e ≈ 2, 7 рази [kω] =см⁻¹ ).

Отже, для підсилення амплітуди хвилі, тобто для інверсії знака поглинання, необхідна інверсія рівноважної заселеності. Для створення інверсії заселеності необхідний додатковий зовнішній вплив. Незалежно від механізму створення інверсії цей зовнішній вплив повинен компенсувати процеси, спрямовані на відновлення термодинамічної рівноваги. Перешкоджати цим процесам можна тільки витрачаючи енергію (енергію накачування, що надходить від зовнішнього джерела). Для характеристики вимушених процесів поглинання i випромінювання вводиться поняття поперечних перерізів (або поперечників).

17. Поясніть ефект насичення, умови його виникнення, інтенсивність насичення.

Насичення ефект, зменшення інтенсивності спектральної лінії (поглинання або випромінювання) при збільшенні потужності зовнішнього резонансного електромагнітного випромінювання. Причина Н. е. — вирівнювання населенностей двох рівнів енергії, між якими під дією резонансного випромінювання відбуваються вимушені переходи. Н. е. спостерігається, коли потужність резонансного випромінювання досягає такої величини, при якій вірогідність вимушених переходів під дією випромінювання більше, ніж вірогідність релаксаційних або спонтанних випромінювальних переходів (див. Квантова електроніка ) . Н. е. обмежує потужності, що генеруються лазерами .

У випадку, коли ймовiрнiсть вимушених переходiв стає рiвнозначною з iмовiрнiстю релаксацiйних переходiв, рiвноважний розподiл населеностi помiтно спотворюється. При цьому вiдносна частка енергiї, що поглинається системою, зменшується, коефiцiєнт поглинання падає, наступає так званий ефект насичення. Для кiлькiсної характеристики насичення вводять деяку ефективну характеристику насичення Is =(1/4)*cπ∆νL/B₁₂τ що є густиною потоку енергiї або iнтенсивнiстю насичення.

Величина Is допускає просте фiзичне тлумачення: добуток iнтенсивностi випромiнювання i перетину поглинання, вимiряного в одиницях hν (тобто величина Iσ/hν) дає при безперервному опромiненнi значення середньої швидкостi iндукованого поглинання атомiв.

Ефект насичення вiдiграє важливу роль у квантовiй електронiцi. Насичення зменшує коефiцiєнт поглинання неiнвертованих резонансних поглинальних систем, приводячи їх, таким чином, у прояснений стан, що часто буває дуже корисним. Насичення знижує коефiцiєнт пiдсилення iнвертованих систем, що часто буває дуже небажаним. Крiм того, насичення є тiєю нелiнiйнiстю, що обмежує iнтенсивнiсть генерацiї лазерiв.

18. Необхідна та достатня умови виникнення посилення в середовищі, умова самозбудження,

принципова схема оптичного квантового генератора.

Необхiдною умовою пiдсилення в середовищi є iнверсна заселенiсть. Достатньою умовою пiдсилення хвилi буде перевищення процесiв пiдсилення, досягнуте за рахунок процесу змушеного випромiнювання, над усiма можливими втратами. Достатньою умовою пiдсилення хвилi буде перевищення процесiв пiдсилення, досягнуте за рахунок процесу змушеного випромiнювання, над всiма можливими втратами.Умовасамозбудження квантового генератора описується в такий спосiб α = αgr = k сума +(1/2L)ln1/r1r2, де L – вiдстань мiж дзеркалами; r1, r2 – коефiцiєнти вiдбиття дзеркал

19. Надайте визначення робочої речовини або активного середовища. Перелічите та коротко

поясніть методи створення інверсійної населеності в газовому середовищі.

Середовище (речовина), у якiй створено iнверсiйну населенiсть, називають активним середовищем (речовиною). iнверсiйна населенiсть може бути отримана при сортуваннi газових атомних i молекулярних пучкiв у перiодичних електричних i магнiтних полях.

Робочi речовини (атомнi, iоннi, молекулярнi системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою рiзноманiтнiстю i можуть перебувати в рiзних агрегатних станах – газоподiбних, твердих i рiдких.

- Якщо квантовим середовищем є газ (атомний, iонний або молекулярний), то для створення iнверсiйної заселеностi в оптичному дiапазонi широко використовуються процеси непружної взаємодiї частинок у газовому розрядi. Цей метод застосовується в газорозрядних лазерах, де збудження активних атомiв i молекул здiйснюється за рахунок непружних зiткнень, що приводять до обмiну енергiєю частинок (вiльних електронiв, атомiв, молекул, iонiв) в областi газового розряду.

- Крiм цього, iнверсiйна заселенiсть може бути отримана при сортуваннi газових атомних i молекулярних пучкiв у перiодичних електричних та магнiтних полях. Такi поля можуть бути створенi у спецiальних пристроях (рис. 3.1): квадрупольних конденсаторах i багатополюсних магнiтних системах.

20. Надайте визначення робочої речовини або активного середовища. Перелічите та коротко

поясніть методи створення інверсійної населеності в напівпровіднику.

Середовище може пiдсилювати електромагнiтне випромiнювання, якщо в ньому створена iнверсiйна заселенiсть (або iншими словами – вiд’ємна температура). Такий стан активної речовини досягається в термодинамiчних i нерiвноважних системах за допомогою накачування активного середовища енергiєю.

Робочi речовини (атомнi, iоннi, молекулярнi системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою рiзноманiтнiстю i можуть перебувати в рiзних агрегатних станах – газоподiбних, твердих i рiдких.

Умова отримання iнверсiйної заселеностi у напiвпровiдникових матерiалах залежить вiд типу переходу (наприклад, зона- зона, зона-домiшка, переходи мiж рiвнями домiшок та переходи мiж рiвнями розмiрного квантування, що належать однiй зонi, або внутрiшньозоннi переходи).

Для створення iнверсiйної заселеностi у напiвпровiдниках широко використовують такi методи: оптичне накачування, збудження пучком швидких електронiв, пряме електричне збудження, iнжекцiя носiїв заряду через p-n - перехiд i т.д.

- При оптичному накачуваннi iнтенсивний свiтловий потiк спрямований на поверхню напiвпровiдника. За умови hνn > ∆E (νn – частота сигналу накачування) електрони iз валентної зони переходять до зони провiдностi, що призводить до 84 порушення рiвноважного стану в робочiй речовинi.

- Якщо на поверхню напiвпровiдника направити пучок електронiв з енергiєю порядку 20 000еВ, то у тонкому поверхневому шарi виникає велика кiлькiсть пар електрондiрка. З краю зони провiдностi збираються електрони, а з краю валентної зони – дiрки. В результатi рекомбiнацiї виникає лазерне випромi- нювання. Можливiсть сканування i високоефективної модуляцiї лазерного випромiнювання – однi iз переваг такого методу збудження.

- При розмiщеннi напiвпровiдника у сильному електрично- му полi (порядку 105В/см) у ньому утворюються нерiвноважнi електрони i дiрки вiдповiдно у зонi провiдностi та валентнiй зонi. Це вiдбувається або за рахунок ударної iонiзацiї, або за рахунок вiдриву електронiв i дiрок електричним полем.

- Метод iнжекцiї носiїв заряду через p - n - перехiд. У цьому випадку використовується p - n - перехiд у вироджених напiвпровiдниках.

21. Надайте визначення робочої речовини або активного середовища. Перелічите та коротко

поясніть методи створення інверсійної населеності в кристалах та стеклах.

Середовище може пiдсилювати електромагнiтне випромiнювання, якщо в ньому створена iнверсiйна заселенiсть (або iншими словами – вiд’ємна температура). Такий стан активної речовини досягається в термодинамiчних i нерiвноважних системах за допомогою накачування активного середовища енергiєю.

Робочi речовини (атомнi, iоннi, молекулярнi системи), що використовуються у квантових приладах, характеризуються великою рiзноманiтнiстю i можуть перебувати в рiзних агрегатних станах – газоподiбних, твердих i рiдких.

Розглянемо метод накачування додатковим випромiнюванням (оптичне накачування). Цей метод є найбiльш унiверсальним i використовується для накачування твердотiльних лазерiв на парамагнiтних кристалах, склi, для рiдинних лазерiв, також може застосовуватись у напiвпровiдникових i газових лазерах. Сутнiсть методу полягає у тому, що активну речовину опромiнюють потужним електромагнiтним випромiнюванням, яке має назву випромiнювання накачування.

Це випромiнювання пiдбирають таким чином, щоб воно поглиналось активною речовиною, яка переводить активнi центри з основного стану до збудженого. Джерелом накачування в оптичному дiапазонi можуть бути рiзноманiтнi джерела свiтла, у тому числi й звичайнi лампи нагрiвання, спецiальнi потужнi ксеноновi лампи-спалаху, ртутнi лампи, напiвпровiдниковi дiоди, джерела сонячного випромiнювання та iншi.

22. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в трьох-

рівневій схемі першого типу.

Залежно вiд того, мiж якими рiвнями досягається iнверсiйна заселенiсть, розрiзняють трирiвневi схеми першого i другого типiв. У схемах першого типу робочий перехiд закiнчується в основному станi, а у схемах другого типу – у збудженому. Накачування за можливiстю здiйснюється селективно на рiвень E3.

Якщо в трьохрiвневiй схемi першого типу дiє сигнал допомiжного випромiнювання iз частотою, рівною частотi переходу мiж рiвнями 1 i 3 (ν13), то змiна населеностi цих рiвнiв описується системою рiвнянь

де ωnm = Snm + Anm – в даному випадку є швидкістю розпадання вiдповiдних рiвнiв за рахунок безвипромiнювальних та спонтанних переходiв. Оскiльки сума всiх трьох рiвнiв при будь-якому розподiлi частинок за рiвнями залишається постiйною, то N = N1 + N2 + N3.

23. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в трьох-

рівневій схемі другого типу.

Залежно вiд того, мiж якими рiвнями досягається iнверсiйна заселенiсть, розрiзняють трирiвневi схеми першого i другого типiв. У схемах першого типу робочий перехiд закiнчується в основному станi, а у схемах другого типу – у збудженому. Накачування за можливiстю здiйснюється селективно на рiвень E3.

Якщо в трьохрiвневiй схемi першого типу дiє сигнал допомiжного випромiнювання iз частотою, рівною частотi переходу мiж рiвнями 1 i 3 (ν13), то змiна населеностi цих рiвнiв описується системою рiвнянь

де ωnm = Snm + Anm – в даному випадку є швидкістю розпадання вiдповiдних рiвнiв за рахунок безвипромiнювальних та спонтанних переходiв. Оскiльки сума всiх трьох рiвнiв при будь-якому розподiлi частинок за рiвнями залишається постiйною, то N = N1 + N2 + N3.

24. Поясніть механізм створення інверсійної населеності та генерування фотонів в чотирьох-

рівневій схемі, поясніть її переваги порівняно з трьох-рівневою схемою.

25. Метод кінетичних рівнянь (швидкісних рівнянь). Запишіть систему кінетичних рівнянь для

будь-якої трьох-рівневої схеми.

Квантовi переходи мiж енергетичними станами в першо- му наближеннi теорiї збурень можуть описуватися кiнетичними рiвняннями [17]. Також вони отримали назву швидкiсних рiв- нянь, або рiвнянь балансу. За допомогою методу кiнетичних рiвнянь можна вирiшити цiлий ряд завдань: накачування речо- вини в стацiонарному режимi; визначення типiв коливань ла- зерного випромiнювання уздовж поздовжньої осi резонатора; розрахунок ширини лiнiї лазерного випромiнювання; отриман- ня умов для генерацiї лазерiв та динамiку генерацiї гiгантського iмпульсу та iншi. Потрiбно вiдмiтити, що кiнетичнi рiвняння описують змiну в часi середнiх значень кiлькостi квантiв та заселеностей станiв квантових рiвнiв. При аналiзi умов отримання iнверсiйної засе- леностi розглядаються тiльки початковi та кiнцевi стани основ- них квантових переходiв. Кожна зi схем, що розглядається, є спрощенням, яке дозволяє враховувати лише основнi явища.

- Газодинамiчний метод створення iнверсних станiв знайшов застосування у газових лазерах i полягає в тому, що робочий газ, нагрiтий до високої температури, швидко охолоджується. Оскiльки час релаксацiї при встановленнi термодинамiчної рiвноваги рiзний, то при швидкiй змiнi температури газу на деяких переходах виникає вiд’ємна температура.

- Крiм того, iнверсiйну заселенiсть у газових середовищах можна одержати за допомогою хiмiчної реакцiї. У цьому разi звичайно використовуються екзотермiчнi реакцiї замiщення вигляду