1.10. Четырехуровневая система

Более удобной с энергетической точки зрения является система с четырьмя уровнями (рис. 1.10). В этой системе вынужденное излучение происходит при переходе активных атомов между уровнями из которых уровень 2 расположен выше основного уровня 1. Разность должна быть значительно больше кванта тепловых колебаний чтобы сделать невозможным переброс атомов за счет тепловых колебаний с основного уровня 1 на уровень 2, т. е. должно быть

Если это условие не выполнено и

то система становится трехуровневой, так как уровень 2 фактически сливается с уровнем 1.

Практически систему можно считать четырехуровневой, если и трехуровневой, если справедливо выражение (1.76).

Если условие (1.75) выполнено, то при термодинамическом равновесии населенность уровня 2 очень мала. Поскольку уровень 2 всегда не заполнен, то для создания инверсной населенности достаточно перевести из основного состояния в состояние 3 хотя бы несколько атомов. Поэтому для возбуждения четырехуровневых генераторов требуется значительно меньшая затрата энергии, чем для трехуровневых.

Рис. 1.10. Переходы в четырехуровневой системе.

Впервые четырехуровневый ОКГ был осуществлен Сорокиным и Стивенсоном (США), которые использовали для этого кристаллы флюорита или или (при концентрации активных атомов

Наиболее типичным четырехуровневым активным веществом является стекло с примесыо трехвалентных ионов неодима Условие (1.75) у стекла с неодимом и у флюорита с ураном выполняется при температуре Поэтому квантовые генераторы на этих веществах хорошо работают при комнатной температуре, не требуя специального охлаждения. Уровень 2 у них находится примерно на выше основного уровня I. В кристалле же уровень 2 находится на расстоянии над основным уровнем 1. Поэтому при комнатной температуре такая ореда ничем не

отличается от трехуровневой системы и работает как чстырехуровневая лишь при температурах ниже 40 °К.

Кроме этого условия при выборе четырехуровиевой системы стремятся выполнить все условия, рассмотренные в предыдущем разделе для трехуровневых систем.

Кинетические уравнения населенностей уровней в четырехуровневой системе можно записать в следующем виде:

Так же как в случае трехуровневой системы, будем считать, что накопления атомов на уровне 4 не происходит, т. е.

что справедливо при

Это условие обычно всегда выполняется так же. как и для уровня 2, где тоже не должно происходить накопления атомов, т. е.

Таким образом, четырехуроиневая система также сводится к двухуровневой, и уравнения (1.32), (1.33), (1.34) и (1.35) преобразуются в выражение

В стационарном режиме

т. e. необходимое условие генерации и этом случае не имеет того ограничения, которое накладывает флюоресценция в трехуровневой системе. Поэтому в выражении пороговой мощности накачки, аналогичном (1.29), для четырехуровневой системы множитель, характеризующий вероятность спонтанного перехода будет отсутствовать. Следовательно, четырехуровневая система может работать в режиме генерации при значительно меньших мощностях накачки.