Kvant elektronikasının əsasları

§ 1.9. Mühitlərdə zərrəciklərin inversiya halının yaradılması

Bundan əvvəlki paraqrafda görduk ki, ikisəviyyəli sistemdə stasionar halda zərrəciklərin inyersiyasını almaq mümkün deyil. Ona görə də lazer şüalanmasını al­maq üçün üç və daha çox enerji səviyyəsi olan kvant sistemlərindən istifadə olunur. Şəkildə üçsəviyyəli kvant sisteminin işçi halları sxemi və enerji səviyyələri arasında baş veran keçidlər göstərilmişdir. Termodinomik tarazlıq halında N_1, N₂ və N₃ zərrəciklərin sayları üçün N₃« N₁ və N₂«N₁ şərtləri ödənilir. Sistemin tezliyi ν₃₁=(E₃-E₁)h enerjinin spektral sıxlığı u₁₃(ν) olan xarici sahə ilə qarşılıqlı təsiri nəticəsində tarazlıq halı pozulacaqdır. Həyəcanlandırma optik üsulla baş verdiyinə görə E₃ səviyyəsinin eni böyük olmalıdır. E₃ səviyyəsindən zərrəciklər e₃→e₂ qeyri-optik, e₃→e₂, spontan şüalanma və e₃→e₁, məcburi şüalanma yolu ilə keçidlər ola bilər. E₂ səviyyəsində atomların toplanması və E₁-ə nəzərən inversiyanın alınması üçün aşağıdakı şərtlər ödənilməlidir:

A₃₂>>A₃₁, A₃₂>>A₂₁ (1)

yəni Е₂ səviyyəsi metastabil olmalıdır. Həyəcanlandırma enerjisinin müəyyən qiymətindən böyük qiymətlərində bu sistemdə N₂>N₁ inversiya halı alınır. Bu о deməkdir ki, belə sistemdə fəal hal mümkündür və ν₂₁ tezlikli sahənin güclənməsi və generasiyası yarana bilər.

Üçsəviyyəli sistemdə inversiya şərtini almaq üçün stasionar halda aşağıdakı tənliklərdən istifadə olunur

N₁+N₂+N₃=N (2)

N₁B₁₃u₁₃ =(A₃₁+P₃₂)N₃ (3)

A₂₁N₂=P₃₂N₃ (4)

Bu tənliklər sistemindən inversiya şərti üçün N₃ « N₁, olduqda alarıq:

(5)

Inversiya halı həyəcanlandırma enerjisinin qiymətindən böyük qiymətlərində yaranır (şəkil 2). (5) tənliyindən N₁=N₂ yazaraq həyəcanlanma enerjisinin minmal qiymətini tapmaq olar:

Bu düsturdan aydın olur ki, üçsəviyyəli sistemdə lazer keçidinin spontan şüalanmasının ehtimalı kiçik olmalıdır ki, həmin keçiddə inversiya halı alınsın. Bundan başqa E₃ və E₂ eneji səviyyələri mümkün qədər bir-birinə yaxın olarsa, qeyri-optik keçidlərin hesabına ayrılan istiliyin miqdarı az olar. Üçsəviyyəli sistemlərin prinsipal nöqsanı böyük həyəcanlandırma gücünün lazım olmasıdır. Bu sistemlərdə zərrəciklərin inversiyası əsas enerji səviyyəsinə görə yaradılır. Bunun üçün isə zərrəciklərin N/2 hissəsini həyəcanlandırmaq lazımdır.

Praktikada dördsəviyyəli kvant sistemlərindən də istifadə olunıir (şəkil 3). Belə sistemlərdə inversiya halı yaratmaq üçün az enerji lazımdır. Xarici həyəcanlandırma enerjisi E₁-E₄ keçidində udulur və əsas səviyyədə olan zərrəcikləri E₄ səviyyəsinə keçirir. Bu sistemlərdə E₃ səviyyəsi metastabil olur və A ₄₃>>A₃₂, A₂₁>>A₃₂ şərtləri ödənildiklə zərrəciklərin E₃ metastabil səviyyəsində toplanması baş verir. Nəticədə həyəcanlanmanın müəyyən qiymətindən böyük qiymətlərində N₃>N₂ inversiya şərti ödənilir. Bu halda inversiya praktiki olaraq boş E₂ səviyyəsinə görə yaradıldığına görə az enerji tələb olunacaqdır.

Qazlarda inversiya yaratmaq üçün elektrik boşalmasından istifadə olunur. Seyrəlmiş qazla doldurulmaş borunun uclarındakı elektrodlara kifayet qədər böyük gərginlik verilir. Borudakı qaz atomları elektrik sahəsində surətlənmiş elektronlarla toq- quşaraq ionlaşır. Atomların bir hissesi elektronlarla toqquşmaları nəticəsində həyəcanlanmış enerji səviyyələrinə keçir. Bu halda ionlaşma baş vermir. Qaz boşalması nəticəsində yaranan şüalanma spontan şüalanmadır.

Qazlarda elektrik boşalması nəticəsində müəyyən şərtlər daxilində enerji səviyyələri üçün zərrəciklərin inversiya halı yarana bilər. Qazlarda eyni zamanda bir neçə keçiddə inversiya halı yarana bilər.

Yanmkeçiricilərdə işığın məcburi şüalanması nəticəsində güclənməsi və ya generasiyası üçün elektron və deşiklərin enerjilərinə görə qeyri-tarazlıqda paylanmasını almaq lazımdır. Bu məsələ üç üsulla həll edilmişdir:

1) injeksiya üsulu - nazik p-n təbəqəsində inversiya almaq;

2) optik həyəcanlandırma ilə keçirici zonada elektronların konsentrasiyasını kifayət qədər artırmaq;

3) yüksək enerjili elektronlarla yarımkeçiricini bombardman etməklə.

Mürəkkəb molukulların məhlulları əsasında yaradılan lazerlərdə molekulların inversiya halını almaq üçün optik üsuldan istifade olunur. Bu növ lazerlərin enerji səviyyələri enli zolaqlardan ibarətdir. Belə sistemlərdə hətta iki enerji zolağı arasında inversiya almaq mümkündür.

Kimyəvi lazerlərdə inversiyanın alınması maddələrin kimyəvi reaksiya nəticəsin- də həyəcanlanmış enerji səviyyəsində olmasına əsaslanır.

Paylanmış əks rabitəli lazerlərdə bir-birilə müəyyən bucaq əmələ gətirən iki koherent işıq dalğasının interferensiyası mühitdə, fəzada modullaşan inversiya mənzərəsini yaradır.