نمودار انرژی لیزری سه سطح

نمودار انرژی لیزری سه سطح

برای دستیابی به شرایط غیر تعادلی ، باید از روش غیرمستقیم برای پر کردن حالت هیجان استفاده شود. برای درک چگونگی انجام این کار ، ممکن است از یک مدل کمی واقع بینانه تر ، از یک لیزر سه سطح استفاده کنیم. باز هم یک گروه از اتم N را در نظر بگیرید ، این بار با هر اتم قادر به وجود در هر یک از سه حالت انرژی ، سطح 1 ، 2 و 3 با انرژی های E1 ، E2 و E3 و جمعیت های N1 ، N2 و N3 به ترتیب هستیم.

فرض می کنیم که E1 <E2 <E3؛ یعنی انرژی سطح 2 بین انرژی سطح زمین و سطح 3 نهفته است.

در ابتدا ، سیستم اتمها در تعادل حرارتی قرار دارند و اکثر اتم ها در حالت زمین قرار می گیرند ، یعنی N1 ≈ N ، N2 ≈ N3 ≈ 0. اگر اکنون ما اتم ها را تحت تابش فرکانس قرار دهیم light \ displaystyle \ scriptstyle \ nu _ {13} \، = \، {\ frac {1} {h}} \ left (E_ {3} -E_ {1} \ Right)} \ scriptstyle \ nu_ {13} \، = \ ، \ frac {1 {h h} \ چپ (E_3 - E_1 \ راست) ، روند جذب نوری باعث تحریک الکترون ها از حالت زمین به سطح 3 می شود. این فرایند پمپاژ نامیده می شود ، و لزوماً همیشه مستقیماً جذب نور را درگیر نمی کند. ؛ سایر روشهای هیجان انگیز محیط لیزر مانند تخلیه الکتریکی یا واکنشهای شیمیایی ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. سطح 3 گاهی اوقات به عنوان سطح پمپ یا باند پمپ و انتقال انرژی E1 → E3 به عنوان انتقال پمپ گفته می شود ، که به عنوان فلش مشخص شده در نمودار در سمت راست نشان داده شده است.

پس از پمپ کردن محیط ، تعداد قابل توجهی از اتمها به سطح 3 منتقل می شوند ، به طوری که N3> 0. برای داشتن یک رسانه مناسب برای عمل لیزر ، لازم است که این اتم های هیجان زده به سرعت در سطح 2 پوسیده شوند. انرژی آزاد شده در این انتقال ممکن است به صورت فوتون (انتشار خودبخود) منتشر شود ، اما در عمل انتقال 3 → 2 (برچسب R در نمودار) معمولاً بدون تابش است ، با انتقال انرژی به حرکت ارتعاشی (گرما) ماده میزبان اطراف اتمها ، بدون نسل فوتون

یک الکترون در سطح 2 ممکن است با انتشار خودبخودی به حالت زمین پوسیدگی کند ، یک فوتون فرکانس ν12 (داده شده توسط E2 - E1 = hν12) را آزاد کند ، که به عنوان گذار L نشان داده شده است ، به نام انتقال لیزر در نمودار. اگر طول عمر این انتقال ، τ21 بسیار طولانی تر از طول عمر 3 32 تابش پرتو 3 τ باشد (اگر τ21 ≫ τ32 ، به عنوان یک طول عمر مطلوب شناخته شده باشد) ، جمعیت E3 اساساً صفر خواهد بود (0 N N3) و جمعیتی از اتمهای هیجان زده در سطح 2 (N2> 0) جمع می شوند. اگر بیش از نیمی از اتمهای N در این حالت جمع شوند ، این بیش از جمعیت سطح زمین N1 خواهد بود. وارونگی جمعیت (N2> N1) بدین ترتیب بین سطح 1 و 2 حاصل شده است و تقویت نوری در فرکانس ν21 قابل دستیابی است.

از آنجا که حداقل نیمی از جمعیت اتم ها برای بدست آوردن وارونگی جمعیت باید از حالت زمین هیجان زده شوند ، محیط لیزر باید به شدت پمپ شود. این امر باعث می شود لیزرهای سه سطح نسبتاً ناکارآمد باشند ، علی رغم اینکه اولین نوع لیزر قابل کشف است (براساس یک رسانه لیزر یاقوت ، توسط تئودور میمن در 1960). یک سیستم سه سطح نیز می تواند یک انتقال تابشی بین سطح 3 و 2 داشته باشد و یک انتقال غیر تابشی بین 2 تا 1 باشد. در این حالت ، نیاز پمپاژ ضعیف تر است. در عمل ، بیشتر لیزرها لیزرهای چهار سطح هستند که در زیر شرح داده شده است.