Понятие инверсии населённостей и активной среды

Продольное сечение среды с поперечным сечением S=1x1м²

при распространении потока фотонов F

Рис.

Предположим, что в веществе имеются два энергетических уровня E₂ и E₁ атомов с населенностями N₂ и N₁ соответственно. В веществе по оси Z распространяется поток фотонов плотностью F. Изменение плотности потока в слое dZ вследствие поглощения и вынужденного излучения определится с использованием формул (2.5) и (2.7) следующим образом:

,

,

,

,

(2.8)

Отсюда следует, что если среда ведет себя как усиливающая – , а в случае , как поглощающая.

Известно, что при термодинамическом равновесии населенность энергетических уровней описывается статистическим распределением Больцмана:

, где . (2.9)

Т – абсолютная температура.

Так как Е₂ > E₁, то N₂ < N₁. В соответствии с (2.9) вещество, среда поглощает излучение, что в обычных условиях и происходит.

Однако, если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N₂ > N_1, то среда, вещество действует как усилитель. Такое состояние среды (когда N₂ > N₁, т.е. N₂-N₁>0 в противоположность N^е2-N^е₁<0 обычному) называют инверсия населенностей. Среда, в которой существует инверсия населенностей, называется активной средой.

Следует иметь в виду, что при рассмотрении характеристик активной среды часто пользуются другими показателями I – интенсивность (плотность мощности) излучения, вместо F (плотности фотонов). Эти величины связаны между собой следующим образом

(2.10)

Важным свойством активной среды является зависимость коэффициента усиления от интенсивности, которая выражается уравнением

где и - плотности фотонов и интенсивность насыщения (при которых уменьшается по отношению )

- коэффициент усиления слабого сигнала

, (2.11)

Графические зависимости выглядит

Рис.

Дата добавления: 2014-11-29