守恒原子数的速率方程
所有速率都以每毫秒为单位。光泵浦向上、向下的速率相等。弛豫和泄漏都把粒子送到明确的能级,原子不会凭空消失。
L03 · 激光基础
为什么更强的泵浦仍可能无法产生增益? 增益要靠粒子数反转,泵浦再强也不一定反转得了。只有两个能级时,泵浦光把原子往上送,也同样会把它们往下拉,上能级永远多不过下能级。三能级、四能级能绕开这一点,但激光下能级排空太慢,或者上能级的原子不发光就漏掉了,照样反转不了。
用两个、三个或四个能级搭一条布居转移路径。在激光上能级储存激发,把下能级清空,再看瓶颈或非辐射泄漏怎样破坏反转。
物理教程
背景泵浦把系综推离热平衡。能不能形成反转,要看三个环节一起配合:泵浦跃迁、向激光上能级的弛豫,以及把粒子从激光下能级移走。
为什么值得理解在错误的跃迁上加大泵浦,弥补不了能级之间路径的缺陷。四能级结构要起作用,前提是激光下能级真的排空得够快。
先抓重点
所有速率都以每毫秒为单位。光泵浦向上、向下的速率相等。弛豫和泄漏都把粒子送到明确的能级,原子不会凭空消失。
这个上限适用于能级简并度相等、弛豫率为正、从基态出发的连续非相干泵浦。它并不排除相干脉冲造成短暂的反转。
系数为正表示增益,为负表示吸收。上能级的辐射衰变流向激光下能级,非辐射泄漏则流回基态。
这些参数是假定的,不是拟合红宝石或某种商用增益介质得到的。三能级方案里,激光下能级就是基态;四能级方案另加一个独立的下能级。
容易误解任何正增益都意味着介质已经成为激光器。
正确理解激光需要谐振腔把光反馈回同一个模式,而且增益要超过这个模式的全部损耗。本实验没有谐振腔,单凭增益读数证明不了振荡。
容易误解四能级系统在任意低泵浦下总会反转。
正确理解这个理想极限要求下能级排空很快、弛豫路径合适。速率有限、存在泄漏时,这种优势可能改变,甚至消失。
选择两能级极限并推进 10 ms。增加寿命或去掉泄漏,再比较上下能级比例。
你会看到: 连续泵浦越强,上下能级布居越接近相等;在模型假设下,始终维持不了正反转。选择三能级并推进时间。降低泵浦能级到上能级的弛豫速率,或加大非辐射泄漏;改速率时布居保持不变。
你会看到: 粒子要在上能级存住,得和泵浦送回的反向过程、上能级的损失竞争。粒子占据了更高的泵浦能级,并不等于所选激光跃迁就会反转。选择下能级瓶颈并推进 10 ms。只把下能级到基态的排空速率改成每毫秒 20 次,再推进一次。
你会看到: 粒子堆在激光下能级时,四能级介质也可能表现为吸收。把下能级清空,不加大泵浦也能恢复有利的布居差。先形成反转,再关闭泵浦,逐步观察衰减。把时间曲线和更新后的稳态值比一比。
你会看到: 泵浦一停,储存的布居就逐渐弛豫。稳态虚线对应当前设置,与之前的经过无关。总布居始终守恒。继续探索
哪些过程阻止泵浦介质维持有效反转?