2) верхним лазерным уровнем и основным уровнем
3) верхним лазерным уровнем и нижним лазерным уровнем (+)
4) верхним уровнем и основным уровнем
В четырехуровневой лазерной схеме оптическое излучение возникает при переходе частицы с верхнего лазерного уровня на нижний лазерный уровень. Энергия испускаемого фотона определяется разностью энергий этих состояний: hν = E2 − E1. Переход может происходить спонтанно, однако устойчивую лазерную генерацию обеспечивает преимущественно вынужденное излучение, при котором фотон вызывает появление второго фотона с такой же частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией.
Накачка переводит частицы с основного уровня на более высокий насосный уровень, после чего они быстро и безызлучательно переходят на верхний лазерный уровень. Нижний лазерный уровень также быстро освобождается за счет безызлучательного перехода на основной уровень, поэтому для создания инверсии населенности достаточно, чтобы на верхнем лазерном уровне находилось больше частиц, чем на нижнем. Это принципиально снижает порог генерации по сравнению с трехуровневой схемой, где нижним лазерным уровнем служит основное состояние и требуется возбудить значительную долю частиц активной среды.
| Элемент схемы | Обозначение | Процесс | Физическое значение |
|---|---|---|---|
| Основной уровень | E0 | Исходное состояние частиц | После завершения цикла частицы возвращаются на этот уровень |
| Насосный уровень | E3 | Поглощение энергии накачки | Обеспечивает перевод частиц в возбужденное состояние |
| Безызлучательная релаксация | E3 → E2 | Быстрый переход с потерей энергии в виде тепла | Формирует заселенность верхнего лазерного уровня |
| Верхний лазерный уровень | E2 | Накопление возбужденных частиц | Создает инверсию населенности относительно уровня E1 |
| Лазерный переход | E2 → E1 | Спонтанное или вынужденное излучение | Возникает когерентное лазерное излучение с энергией фотона E2 − E1 |
| Нижний лазерный уровень | E1 | Быстрая релаксация на основной уровень | Поддерживается малая населенность, что облегчает достижение инверсии |
| Типичный пример | Nd:YAG-лазер | Переход Nd3+ между метастабильным верхним и нижним лазерными уровнями | Применяется в медицинских лазерных системах благодаря устойчивой генерации и сравнительно низкому порогу |
Таким образом, именно переход между верхним и нижним лазерными уровнями является рабочим оптическим переходом четырехуровневого лазера. Быстрое опустошение нижнего лазерного уровня препятствует поглощению генерируемого излучения и повышает эффективность активной среды. При достижении условия усиления, превышающего суммарные потери резонатора, возникает самоподдерживающаяся генерация. Конкретная длина волны определяется энергетической структурой активного вещества и разностью уровней, участвующих в лазерном переходе.