7.2.4.  Принципиальные схемы уровней активных центров

В качестве активных центров используются различные моле­кулы, атомы, ионы. Они имеют свои (и подчас довольно сложные) структуры энергетических уровней. Однако все разнообразие этих структур можно фактически свести к нескольким весьма упрощенным схе­мам, которые, несмотря на простоту, правильно отражают прин­ципиальную сторону дела, не учитывая различных не очень суще­ственных деталей. Эти упрощенные схемы содержат всего три или четыре уровня (рис. 7.3). Вертикальная стрелка вверх означает возбуждение (накачку), вертикальная стрелка вниз – рабочий переход, косые стрелки – вспомогательные переходы.

Рассмотрим трехуровневую схему (рис. 7.3, а). Система накачки (это может быть, например, оптическая накачка) переводит активные центры на уровень возбуждения 3. В течение относительно малого времени (порядка 10 -8 с) активные центры переходят с уровня возбуждения  3 на верхний рабочий уровень 2, передавая избыток энергии, например, колебаниям кристалличе­ской решетки (в твердотельной активной среде). На верхнем ра­бочем уровне 2 активные центры как бы «застревают» (на время порядка 10-4 – 10-2 с); в результате происходит накопление актив­ных центров на этом уровне и возникает инверсия.

Нижний рабочий уровень в рассматриваемой схеме (см. рис. 7.3, а) обозначен на рисунке двумя цифрами – 0 и 1. Тем самым показано, что этот уровень является одновременно и основным уровнем, и ниж­ним рабочим уровнем. Такое «совместительство» имеет отрицатель­ную сторону. Ведь нижний рабочий уровень должен иметь малую заселенность; в то же время основной уровень обычно заселен достаточно плотно. Чтобы создать инверсию в данной схеме уров­ней, надо «убрать» с основного уровня более половины всех ак­тивных центров.

В этом смысле более удобна трехуровневая схема (рис. 7.3, б). Здесь можно добиться того, чтобы нижний рабочий уровень всегда практически пустовал; попадающие на этот уровень активные центры могут относительно быстро переходить на основ­ной уровень 1. Однако данная схема имеет свой (и притом довольно существенный) недостаток: один и тот же уровень является одно­временно уровнем возбуждения и верхним рабочим уровнем. Как уровень возбуждения он должен был бы иметь заметную ширину, т.е. представлять собой, по сути дела, энергетическую полосу (чтобы эффективнее использовать энергию накачки). Как верхний рабочий уровень, он, напротив, должен быть очень узким (чтобы «время жизни» активных центров на данном уровне было доста­точно большим). Указанные требования оказываются несовмести­мыми.

Поэтому оптимальной представляется четырехуровневая схема (см. рис. 7.3, в). Впрочем, в отличие от трехуровневых схем, в дан­ной схеме больше вспомогательных переходов. А каждый лишний переход – это дополнительные потери энергии.

Таким образом, каждая из рассмотренных схем имеет свои недостатки и свои положительные стороны. Во всех схемах «время жизни» активных центров на верхнем рабочем уровне должно быть относительно большим; иначе не произойдет накопление центров на данном уровне, необходимое для создания ин­версии. Такие уровни называют метастабильными.

Заметим, что двухуровневая схема принципиально непригодна. В такой схеме излучение накачки, с одной стороны, переводило бы активные центры с нижнего рабочего уровня (он же основной уровень) на верхний рабочий уровень (он же уровень возбужде­ния), а с другой стороны, инициировало бы обратные переходы – с верхнего рабочего уровня на нижний. Иначе говоря, излучение накачки одновременно бы и заселяло, и очищало верхний рабочий уровень. Создание инверсии при этом оказывается принципиально невозможным. Вот почему во всех схемах частота рабочего пере­хода отличается от частоты перехода накачки.