Розселення рівнів

Якщо атоми збуджувати на якийсь рівень, наприклад, верхній лазерний, і в якийсь момент виключити джерело збудження, то населеність рівня буде зменшуватись з часом. Причиною цього будуть спонтанні і релаксаційні переходи. Якщо ж джерело збудження діє неперервно і концентрація на збуджуваному рівні не змінюється в часі, то встановлюється динамічна рівновага між процесами заселення і розселення, до останніх належать щойно згадані переходи.

3.4.1. Спонтанні переходи. Для конкретності розглянемо розселення рівня 3 в 3-х і 4-х рівневих схемах генерації. Зміна його населеності із-за існування спонтанних переходів буде:

, (3.15)

де . Проінтегрувавши , одержимо

.

Звідси виходить, що за час населеність рівня падає в -раз. Таку тривалість часу називають часом життя на рівні.

3.4.2. Релаксаційні переходи. При релаксаційних переходах зменшення населеності збуджених рівнів буде відбуватись за тим же законом, що і при передачі збудження при міжатомних (міжмолекулярних) зіткненнях, але із своїм значенням часу життя на рівні , тобто

, , ,

де N_з і N_м, V_з i V_м, відповідно, концентрації і швидкості збуджених і домішкових атомів; s_зм- переріз їх зіткнення. Отже, час життя на рівні при релаксаційних переходах є

. (3.16)

Він обернено пропорційний сумі швидкостей і перерізу зіткнення атомів, збудженого і домішкового та концентрації домішкових атомів. Чим менший цей час, тим інтенсивніше розселюється рівень.

Розселення ВЛР внаслідок будь – яких процесів, крім лазерної генерації, шкідливе, оскільки вони зменшують його населеність, що в свою чергу зменшує коефіцієнт підсилення. Тому в активному лазерному середовищі не повинно бути домішок, які розселюють ВЛР внаслідок релаксаційних переходів. Навпаки, НЛР повинен бути мінімально заселеним (див. ф-лу (3.9)). Тому в активне середовище необхідно вводити домішки, які інтенсивно розселюють цей рівень.