НАКАЧКА ЧАСТИЦАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ НАКАЧКА в квантовой

НАКАЧКА ЧАСТИЦАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

НАКАЧКА в квантовой электронике - процесс создания неравновесного состояния вещества под воздействием электромагнитных полей, при соударениях с заряженными или нейтральными частицами, при резком охлаждении предварительно нагретых газовых масс и т. п. Hакачка переводит вещество из состояния термодинамического равновесия в активное состояние (с инверсией населённостей), в котором оно может усиливать и генерировать электромагнитные волны.

Термин "Накачка" применяется также в радиотехнике и оптике для обозначения процессов воздействия на элементы параметрических систем. Накачкой называют и воздействие циркуляры поляризованным оптическим излучением на систему парамагнитных частиц, находящихся в магнитном поле, с целью изменения разности населённостей магнитных зеемановских подуровней энергии. В классической трёхуровневой системе (рисунок 1) получения инверсии населённостей квантовых уровней энергии в процессе накачки электромагнитная волна

насыщает квантовый переход между нижним (ξ 1) и верхним (ξ 3) уровнями. Насыщение заключается в выравнивании населённостей этих уровней. В условиях насыщения перехода ξ 1 -ξ 3 населённость уровня ξ 2 может быть или больше, или меньше населённости уровней ξ 1 и ξ 3.

Рисунок 1 – Накачка трехуровневой системы: распределение населенностей уровней равновесное (а) и в условиях накачки перехода ξ 1 -ξ 3 (б)

В результате возникает инверсия населённостей на одном из переходов ξ 1 -ξ 2 или ξ 2 -ξ 3. Интенсивность электромагнитного поля накачки должна быть такой, чтобы индуцированные квантовые переходы происходили значительно чаще, чем релаксационные переходы с уровня ξ 3 на уровни ξ 1 и ξ 2. Трёхуровневая схема накачки применяется в квантовых усилителях радиодиапазона (мазерах) и в оптических квантовых генераторах (лазерах) на рубине. В последнем случае возможна работа только в импульсном режиме, т. к. для насыщения оптического

квантового перехода в твердом теле требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение рубинового стержня. Возможны более сложные схемы накачки квантовых систем, например четырёхуровневая схема накачки лазера на ионах неодима. Осуществить насыщение квантовых переходов в оптическом диапазоне с помощью нелазерных тепловых источников накачки очень трудно. С другой стороны, в условиях теплового равновесия при обычных температуpax практически все квантовые частицы находятся на самом нижнем уровне.

Выбрав вещество с четырьмя уровнями энергии, при благоприятных соотношениях скоростей релаксационных переходов между уровнями можно получить инверсию разности населённостей уровней ξ 2 и ξ 3 (рисунок 2) и без насыщения переходов ξ 1 -ξ 4 или ξ 1 -ξ 3. Накачивая переход ξ 1 -ξ 4, можно получить инверсию на переходе ξ 2 -ξ 3, если скорость релаксации процессов между уровнями ξ 3 -ξ 2 и ξ 3 -ξ 1 значительно меньше скорости релаксации между уровнями ξ 2 и ξ 1. Под действием накачки частицы переходят с уровня ξ 1 на уровень ξ 4 и затем в результате релаксации процесса попадают на уровень ξ 3, где накапливаются. В то же время уровень ξ 2 остается почти

пустым, поскольку все частицы, попадающие на него, быстро переходят на уровень накачки газовых лазеров осуществляется постоянным или импульсным током. Энергия накачки передаётся свободным электронам, которые сталкиваются с атомами или молекулами, ионизируют или возбуждают их. Одновременно идёт обратный процесс рекомбинации электронов и ионов с образованием возбуждённых частиц. Возбуждённые частицы сталкиваются между собой и с невозбуждёнными частицами, обмениваются энергией возбуждения и переходят на др. уровни энергии. В результате в плазме

газоразрядной наблюдается широкий спектр возбуждений и возможны инверсные состояния различных квантовых переходов в диапазоне волн от долей миллиметра до долей микрометра.

Рисунок 2 - Накачка четырехуровневой системы: распределение населенностей уровней равновесное (а) и в условиях накачки перехода ξ 1 -ξ 4 (б)

В результате химических и фотохимических реакций в газах также образуются ионы, атомы или молекулы в возбуждённом состоянии. Последующие химические превращения и релаксационные процессы часто приводят к инверсии населённостей или непосредственных продуктов реакции, или специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Газоразрядные лазеры и химические лазеры могут иметь очень большой (до 50%) коэффициент преобразования мощности накачки в мощность лазерного излучения.

Другим высокоэффективным способом накачки полупроводникового лазера является облучение кристалла электронным пучком с энергией 103 -108 э. В. Электронный пучок пронизывает значительную толщину кристалла и производит в его объёме ионизацию с образованием электрон-дырочных пар с достаточной для лазерной генерации концентрацией. Кпд лазера с электронно-пучковой накачкой может достигать 30% при мощности излучения до 1 МВт. В параметрических устройствах радиодиапазона накачка осуществляет периодическое изменение величины ёмкости или индуктивности колебательного контура или

резонатора. Если ёмкость конденсатора уменьшается в те моменты, когда заряд на нём максимален, и вновь увеличивается, когда заряд отсутствует, то энергия, накопленная в контуре, периодически увеличивается за счёт накачки. В рассмотренном простейшем случае частота воздействия накачки вдвое превышает собственную частоту контура, на которой происходит усиление или генерация. Этот эффект называют параметрическим усилением и используется в усилителях и генераторах радиодиапазона.

Аналогичные явления можно наблюдать и в оптическом диапазоне при воздействии на нелинейную оптическую среду мощной волны накачки, возбуждающей бегущую волну изменяющегося показателя преломления. Эта волна при благоприятных условиях порождает вторичную электромагнитную волну на частоте, отличной от частоты накачки. Условиями возникновения вторичной волны являются превышение плотности энергии волны накачки над определённым пороговым значением, фазовый синхронизм вторичной волны изменений

показателя преломления. Последнее условие может быть реализовано только в анизотропных средах (кристаллах) или в средах о аномальной дисперсией. Накачкой называют также оптическую волну, порождающую нелинейные оптические эффекты, связанные с изучением вторичных когерентных волн, в том числе вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна.

Спасибо за внимание!!!