Общие закономерности насыщения усиления.

Интенсивные потоки света, проходя через активную среду с инверсной населенностью, могут заметно изменить распределение электронов по энергетическим уровням и отразиться на величине коэффициента усиления. При термодинамическом равновесии, как известно, инверсная населенность отсутствует во всех без исключения системах. Чтобы получить усиливающую среду, вещество необходимо подвергнуть оптической, электрической, химической или какой-либо иной накачке. Поэтому последовательное рассмотрение насыщения усиления — это значительно более сложная задача, чем изучение насыщения поглощения. Необходимо изучать взаимодействие света с веществом в условиях, когда вещество дополнительно подвергается воздействию мощной накачки, создающей инверсную населенность.

Поскольку зависимость коэффициента поглощения от в общем случае не удалось выразить аналитическими формулами, то трудно ожидать, что коэффициент усиления как функция может быть представлен аналитически. Для установления связи необходимо проводить численные расчеты, которые оправданы только при конкретной постановке задачи. Поэтому целесообразно отметить только некоторые общие закономерности [434]. Решение задачи для модели двух резких уровней несколько дополнит общую картину.

Стационарное уравнение баланса для полупроводника, находящегося под действием накачки и светового монохроматического потока, можно представить в виде

где скорости накачки, люминесценции и неоптических переходов соответственно. Если на частоте среда не поглощает, а усиливает свет, то будет отрицательно, а положительно.

Учитывая, что мощность люминесценции и коэффициент поглощения связаны между собой универсальным соотношением (7.18), из (15.12) для находим

Здесь параметр а в общем случае зависит от

где

Логарифмируя (15.13), находим

Если интенсивность зондирующего света то независимо от знака а скорости всех процессов при постоянном достигают предельного значения.

Коэффициент усиления, согласно (15.12) и (15.14), равен

где В условиях предельного насыщения перестают зависеть от как 1/5. Для малых величины будут иметь другое значение, также слабо зависящее от если велико.

При оптической накачке узкой спектральной линией в частоте скорость накачки равна к В случае инжекции тока плотности через -переход лазерного диода где элементарный заряд; толщина активной области; инжекционная эффективность. При бомбардировке полупроводниковой пластины пучком быстрых электронов где число электронно-дырочных пар, генерируемых одним электроном накачки (см. § 20, 25).