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.

Рис. 96. Трехуровневая и четырехуровневая (б) схемы оптического квантового генератора. Стрелками показаны направления оптических переходов при возбуждении и в процессе генерации

Все эти величины становятся функциями параметров резонатора.

С возникновением генерации в стационарном или квазистационарном режимах плотность генерируемого излучения внутри резонатора поддерживается на таком уровне, что при всех накачках выше пороговой удовлетворяется энергетическое условие генерации

В простейшей схеме трехуровневого лазера оптическая накачка производится в канале 1—3, а генерация происходит с уровня 2 (рис. 96, а).

Если второй уровень метастабильный, то практически при всех реально достижимых накачках [573]. В режиме генерации населенности второго и первого уровней будут связаны соотношением (19.17) при и равенством Это означает, что населенности уровней не будут зависеть от плотности радиации накачки. Увеличение поступления частиц на метастабильный уровень с ростом компенсируется более интенсивными переходами за счет увеличения вероятности индуцированных переходов (рис. 97). График на рис. 97 сливается с осью абсцисс. Когда значения малы, величина практически постоянна, а растет пропорционально (сплошные кривые). Это — область линейной оптики. По мере накопления частиц на метастабильном уровне населенность основного состояния падает, а рост замедляется. Сплошная кривая относящаяся к частицам вне резонатора, стремится к верхнему пределу, близкому к При населенность первого и третьего уровней стремится к нулю (точнее к если см. § 13).

Если вещество помещено в резонатор, то графики будут задаваться сплошными линиями только до порога генерации.

При возникнет генерация останутся практически постоянными (пунктирные линии).

Как видно из рис. 97, б графики зависимости мощности поглощения возбуждающего света, генерации и люминесценции от плотности радиации накачки при имеют тенденцию к насыщению, проявляющуюся в нарушении закона Бугера (§ 13) и в нелинейной зависимости от

Введение отражающих зеркал приводит к накоплению внутри резонатора радиации частоты преобладанию вынужденных переходов в над спонтанными и под влиянием этого к резкому изменению оптических свойств вещества.

Появление значительных вынужденных переходов 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 перестают зависеть от мощности накачки, в системе восстанавливаются все линейные зависимости оптических характеристик от мощности накачки Мощность поглощения растет пропорционально Мощность люминесценции также пропорциональна что связано с линейной зависимостью от накачки. Поскольку значение на несколько порядков меньше то линейный рост с увеличением практически не отражается на величинах В принципе с возникновением генерации люминесценция в канале несколько подавляется, так как

Рис. 97. Зависимость населенностей уровней (а), мощностей поглощения, люминесценции и генерации (б) от плотности радиации накачки. Пунктирные кривые относятся к режиму генерации, сплошные — к отсутствию генерации [435, 573]

Ойнако анализ формул и графиков показывает, что возникновение генерации и ее быстрый рост после преодоления порога в стационарном режиме связаны в основном не с уменьшением люминисценции и других потерь в канале а с резким скачкообразным возрастанием количества поглощенной энергии. Часть этой добавочно поглощенной энергии неизбежно расходуется на рост люминесценции и тепловых потерь в каналах Остальная часть идет на увеличение стимулированного испускания.

Приведенные рассуждения справедливы для стационарного режима возбуждения. В нестационарном режиме возможны такие ситуации, когда значительная часть энергии генерации возникает за счет подавления люминесценции.