După cum am văzut din Legea lui Beer, pentru a avea loc amplificarea optică, trebuie să avem densitatea atomilor în starea superioară a energiei (g_2/g_1) N_1 'title =' N_2> (g_2/g_1) N_1 '/> sau dacă degenerările sunt egale cu una, doar N_1 'title =' N_2> N_1 '/>. După cum sa menționat anterior, aceasta se numește inversiune. Inversiunea necesită pompare - o injecție de energie în atomi. Această pompare ar putea lua mai multe forme. În laserele cu gaz, o descărcare electrică este un mecanism comun de pompare. De asemenea, este posibil să se pompeze cu lumină (absorbție optică); totuși, dacă pompăm cu lumină, trebuie să existe cel puțin încă o stare de energie atomică implicată în afară de aceasta și să o facă să funcționeze. De ce?

Imaginați-vă că avem o colecție de atomi care sunt inițial în starea de energie inferioară. Pentru simplitate, luați. Să încercăm să pompăm atomii în starea superioară de energie folosind o sursă de lumină a cărei frecvență. Acest lucru va funcționa bine inițial - toată lumina primită va fi absorbită de atomii din starea 1 și acei atomi vor fi promovați în starea 2. Cu toate acestea, pe măsură ce densitatea atomilor din starea 2 urcă, în cele din urmă vom ajunge la un punct în care. În acest moment, un foton de intrare este la fel de probabil să fie absorbit sau să provoace emisii stimulate. Prin urmare, lumina nu va putea să se împingă mai sus, cel puțin în regim stabil. Dacă reușim pe scurt să obținem N_1 'title =' N_2> N_1 '/>, emisia stimulată va domina asupra absorbției și va fi redusă în jos.

Deci, trebuie să introducem o a treia stare de energie în considerația noastră. Am putea pompa atomi de la până la, așa cum se arată în diagrama de mai jos. Am fi înțelepți să alegem un set de stări pentru care există un proces rapid de relaxare care scade rapid atomii de la stare la. În acest fel, va fi întotdeauna aproape de zero și va pompa fotoni a căror frecvență va fi întotdeauna absorbită. În același timp, am dori ca atomii să rămână mult timp într-o stare (așa-numita stare „metastabilă”). Dacă îndeplinim aceste condiții, putem crește până când este mai mare decât utilizarea pompei de la la. Odată ce N_1 'title =' N_2> N_1 '/>, am realizat inversarea și, prin urmare, amplificarea pentru fotonii a căror frecvență .

pompare

Schema pe trei niveluri de mai sus are o slăbiciune. Este relativ ușor de crescut, dar am dori și să scădem, pentru a maximiza inversiunea. Dacă starea este starea de bază, rata pompei trebuie să fie extrem de mare pentru a scădea semnificativ (ar fi necesară o pompă foarte intensă). O modalitate de a aborda această provocare este introducerea unei a patra stări în schema de pompare, așa cum este prezentat mai jos. În acest caz, dorim o pompă reglată la tranziția de la la, un proces rapid de relaxare de la la, un proces de relaxare rapid de la la și o stare metastabilă. Această schemă este concepută pentru a amplifica lumina cu frecvența. Atomii sunt pompați până și cad repede până acolo unde rămân. După ce un eveniment de emisie stimulată scade atomul în stare, acesta se relaxează rapid în stare, asigurându-se că va rămâne mic. În acest fel, putem maximiza inversiunea .

Desigur, în inginerie ca și în viață, nicio îmbunătățire nu vine fără un preț. Schemele de pompare cu 3 și 4 niveluri facilitează realizarea unei inversiuni mari. Prețul pe care îl plătim este o pierdere inerentă de eficiență. Dacă pompăm cu un singur foton de energie, în cel mai bun caz vom scoate un singur foton de energie. Diferența de energie reprezintă o pierdere inevitabilă de energie în acest sistem.