3 Процессы накачки

3.1. Введение

В гл. 1 мы показали, что процесс, который переводит атомы с уровня 1 на уровень 3 (для трехуровневого лазера; см. рис. 1.4, а) или с уровня 0 на уровень 3 (для четырехуровневого лазера; см. рис. 1.4, б), называется накачкой. Накачка осуществляется, как правило, одним из следующих двух способов: оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных (например, для рубинового или неодимового) или жидкостных (например, на красителе) лазеров. Механизмы уширения линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно мы имеем дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Следовательно, эти полосы поглощают заметную долю (обычно широкополосного) света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что у них спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы для накачки дают широкополосное излучение, осуществить оптическую накачку довольно трудно. Замечательным исключением, которое следует отметить, является цезиевый лазер с оптической накачкой, когда пары возбуждаются лампой, содержащей Не при низком давлении. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку интенсивная линия излучения Не с нм (достаточно узкая благодаря низкому давлению) совпадает с линиями поглощения Фактически этот лазер представляет интерес лишь в историческом плане, как одна из первых предложенных лазерных схем. Кроме того, его реализация на практике является весьма сложной, поскольку пары которые для обеспечения достаточного давления газа необходимо поддерживать при температуре 175 °С, представляют собой весьма агрессивную среду. Оптическую накачку весьма эффективно можно было бы использовать для полупроводниковых

лазеров. Дело в том, что у полупроводников имеется полоса сильного поглощения. Однако применение в данном случае электрической накачки оказывается более удобным, поскольку через полупроводник (обычно в форме или -диода) очень легко проходит электрический ток.

Два упомянутых выше процесса накачки (оптической и электрической) не исчерпывают всех возможных методов накачки лазеров. Например, необходимая инверсия может быть создана также с помощью соответствующей химической реакции (химическая накачка). Необходимо упомянуть здесь два достойных внимания вида химической накачки: 1) ассоциативная реакция, ведущая к образованию молекулы в возбужденном колебательном состоянии, и 2) диссоциативная реакция, , ведущая к образованию частицы В (атома или молекулы) в возбужденном состоянии.

Другим способом накачки газовой молекулы, который может быть достаточно эффективным, является сверхзвуковое расширение газовой смеси, содержащей данную молекулу (газодинамическая накачка). Поскольку эта схема накачки требует довольно долгого и подробного обсуждения, мы отложим ее рассмотрение до гл. 6.

Чтобы закончить эти вводные замечания, следует упомянуть о специальном виде оптической накачки, когда лазерный луч используется для накачки другого лазера (лазерная накачка). Свойства направленности лазерного пучка делают его очень удобным для накачки другого лазера, причем здесь не требуется специальных осветителей, как в случае (некогерентной) оптической накачки. Такая накачка является довольно простой, и в дальнейшем мы ее не будем рассматривать. Хотелось бы лишь здесь отметить, что благодаря монохроматичности излучения лазера накачки ее применение не ограничивается лишь твердотельными и жидкостными лазерами (как в случае некогерентной оптической накачки), но ее можно также использовать для накачки газовых лазеров. В данном случае линия, излучаемая накачивающим лазером, должна, разумеется, совпадать с линией поглощения накачиваемого лазера. Это применяется, например, для накачки большинства газовых лазеров дальнего ИК-диапазона (скажем, таких лазеров, в которых используются метиловый спирт в виде паров) с помощью излучения соответствующей длины волны -лазера.

Выше мы уже отмечали, что в данной главе мы рассмотрим лишь оптическую и электрическую накачки. В каждом конкретном случае обсудим физические механизмы, лежащие в основе изучаемого процесса, а также опишем в общих чертах схему расчета скорости накачки определяемой выражением (1.10).