Question

Возможна ли работа лазера по двухуровневой схеме активной среды? Почему?

Answer 1

Ответ:

Двухуровневая модель лазера. Методические материалы Информация о модуле Помощь Печать Назад

Демонстрационная модель позволяет моделировать квантовые процессы, возникающие при распространении резонансного светового пучка в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями. Иллюстрируется принцип лазерной генерации.

В квантовой системе с двумя выделенными уровнями при взаимодействии с излучением могут происходить различные процессы.

Поглощение кванта света. В этом случае система переходит с нижнего энергетического уровня на верхний.

Спонтанное излучение при самопроизвольном переходе с верхнего уровня на нижний. Спонтанное излучение различных атомов не согласовано (некогерентно) по фазам и происходит в различных направлениях. Частоты поглощаемых или самопроизвольно испускаемых квантов определяются разностью энергий двух уровней: hν = En – Em.

Вынужденное или индуцированное излучение с верхнего уровня на нижний. Этот процесс является физической основой работы лазера. При вынужденном излучении в результате взаимодействия атома с фотоном получаются два совершенно одинаковых (когерентных) фотона, распространяющихся в одном и том же направлении и имеющих с точки зрения волновой теории одну и ту же частоту, фазу и поляризацию.

Все три вида процессов происходят в двухуровневой среде при прохождении

Answer 2

Да, работа лазера по двухуровневой схеме активной среды возможна, но она имеет определенные ограничения и технические сложности.

Двухуровневая система активной среды означает, что в активной среде лазера существуют всего два энергетических уровня, между которыми происходит переход при излучении света. В теории, такая схема может быть эффективной, однако существуют проблемы, которые могут затруднить ее практическую реализацию:

1. Быстрая релаксация: Из-за отсутствия дополнительных энергетических уровней для релаксации, атомы или молекулы в активной среде быстро возвращаются на основной уровень, что может снизить вероятность стимулированной эмиссии и затруднить накопление инверсной заселенности.

2. Потери излучения: В двухуровневой системе сильно увеличиваются потери излучения из-за стимулированной поглощения. Это означает, что вероятность поглощения излучения лазера самой активной средой будет высока, что приведет к затуханию лазерной генерации.

3. Тепловые потери: В процессе работы лазера возникают тепловые потери из-за неизбежных несовершенств оптических элементов и активной среды. В двухуровневой системе эти потери могут быть особенно значительными из-за высокой вероятности поглощения излучения.

4. Необходимость высокой инверсной заселенности: Для эффективной работы лазера по двухуровневой схеме требуется достижение инверсной заселенности - когда верхний энергетический уровень более высоко заселен, чем нижний. Это может быть сложно достичь в практике, особенно при учете вышеупомянутых ограничений.

Из-за указанных технических сложностей и ограничений, лазеры на основе двухуровневой схемы активной среды чаще всего имеют низкую эффективность и не могут работать на длинах волн, близких к видимому спектру. Вместо этого, большинство современных лазеров используют более сложные многоуровневые схемы активной среды, которые позволяют более эффективное управление инверсной заселенностью и снижение потерь излучения.