2.3. A polulációinverzió és energiaszint sémák

Láthattuk, hogy az erősítés feltététele a polulációinverzió megléte. Hogyan lehet ezt megvalósítani?

Az előzőekben tárgyalt két energiaszintes rendszert világítsuk meg megfelelő hullámhosszú fénnyel. Kezdetben a termikus egyensúly miatt gyakorlatilag minden atom alapállapotban van. A beeső fotonok abszorpciójával egy részük gerjesztett állapotba fog kerülni, amelynek következtében lehetségessé válik az indukált emisszió. Ha növeljük a fény intenzitását, akkor egyre kevesebben lesznek alapállapotban és egyre többen a gerjesztett állapotban, ami azt jelenti, hogy csökken az abszorpciós és nő az indukált emissziós események száma. Ha a spontán emissziót el is hanyagoljuk, mivel B₁₂=B₂₁, beláthatjuk, hogy akármekkorára növeljük a beeső fény intenzitását, a legjobb esetben is csak a két szint populációjának kiegyenlítődését tudjuk elérni és ilyenkor a közeg az adott hullámhosszon "átlátszóvá válik", mivel az abszorbeált és indukált emisszióval kibocsátott fotonok száma megegyezik.

A fentiek alapján látható, hogy kétszintes rendszer esetén optikai gerjesztéssel (pumpálással) nem lehet populáció inverziót megvalósítani. Ezért az erősítés megvalósításához közbenső energiaszintek bevonására van szükség. A lézerek többsége három és négyszintes termséma alapján működik.

2.3. ábra   Három- és négyszintes lézerműködési termsémák.

 A pumpálás a folyamatban részt vevő legalsó energiaszintről a legfelső energiaszintre történik. Az energiaszinteket úgy választják meg, hogy a lézerátmenet felső energiaszintjén hosszú legyen az élettartam, azaz a spontán emisszió elhanyagolható legyen az indukált emisszióhoz képest; az alsó energiaszint populációját pedig akár magával visszapumpálással, akár valamilyen relaxációs folyamattal lehet alacsonyan tartani. Bizonyos esetekben a lézer-átmenet alsó energiaszint gyors kiürítése nehézségekbe ütközik, ilyenkor csak az impulzusüzemű lézerműködés megvalósítható. 

Impulzusüzemű lézereknél megvalósítható az, hogy a lézerimpulzus hossza jóval rövidebb legyen, mint a pumpálás időtartama. Ezt úgy lehet elérni, hogy egy, a rezonátorban elhelyezett optikai elem (Q-kapcsoló) nem engedi beindulni a lézerműködést mindaddig, amíg a pumpálási folyamat be nem fejeződik. Ezt az eljárást pl. a nanoszekundumos impulzushosszú CO₂ és szilárdtest lézerek esetén alkalmazzák.