Population Inversion

17
EP410: Chapter 9 Popula3on Inversion Dinesh Kabra, Phys. IITB

description

laser principle

Transcript of Population Inversion

EP410:  Chapter  9  Popula3on  Inversion  

Dinesh  Kabra,  Phys.  IITB  

²  In  thermal  equilibrium  Nu<Nl  ²  Pumping  is  required  to  overcome  the  Boltzmann  distribu3on  à  Nu>Nl  ²  Necessary  condi3on  (but  not  sufficient)  ²  Two  level  system  can  not  generate  popula3on  inversion  ²  Inclusion  of  extra  level  is  must  à  results  in  reduc3on  in  efficiency  

Contents  •  Inversions  and  2-­‐level  systems  •  Radia3ve  decay  rates  –  radia3ve  vs  collisional  •  Steady-­‐state  inversions  in  3  and  4-­‐level  systems  

–  3-­‐level  where  middle  level  is  Eu  –  3-­‐level  where  highest  level  in  Eu  –  4-­‐level  system  

•  Transient  popula3on  inversions  •  Inversion  destroying  processes  

–  Radia3on  trapping  –  Electron  collisional  thermaliza3on  –  Absorp3on  within  gain  medium  –  Excited  state  absorp3on  –  Ground  state  absorp3on  

Inversions  and  two-­‐level  Systems  Consider  a  two-­‐level  atomic  system  Ø  Gain  length  =  L  Ø  Atomic  species  =  N  Ø  Total  decay  rate  =  Υul  Ø  Radia3ve  decay  rate  =  Aul  Ø  By  defini3on  à  Υul  ≥  Aul  Ø  Emission  cross  sec3on  =  σul(ν)  

 (valid  for  both  homogeneous  &  inhomogeneous  broadenings)    At  room  temperature  all  the  atoms  are  in  lower  level  as  per  Boltzmann  distribu3on  Nl  ≈  N  and  Nu  ≈  0  On  op3cal  excita3on  with  an  intensity  of  I0  and  frequency  νul  we  find  light  gets  absorb  as  it  travels  through  the  medium:        For  weak  input  intensity,  light  beam  gets  absorbed  with  an  absorp3on  coefficient  of  σul(ν)Nl    

•  Our  assump3on  prior  to  this  chapter  was  that  we  increase  the  pump  intensity  I0  to  very  high  value  that  eventually  all  of  the  popula3on  is  transferred  from  level  l  to  level  u  by  absorp3on  of  the  input  beam.  

•  This  is  not  possible,  because,  as  soon  as  a  frac3on  of  the  popula3on  is  pumped  to  level  u,  Nu  becomes  greater  than  zero.  Since  Nu  =  N-­‐Nl,  we  can  rewrite  previous  equa3on  as    

•  As  the  popula3on  leaves  level  l,  the  ra3o  Nl/N  begins  to  drop  below  1.  When  it  reaches  0.5,  no  more  energy  will  be  absorbed,  because  the  value  of  exponent  is  zero.  The  gain  medium  at  this  point  is  actually  transparent  at  the  frequency  νul!  Nu  can  never  exceed  Nl.  

•  Hence  in  two  level  system  it  is  impossible  to  get  popula3on  inversion  and  we  will  see  how  can  we  overcome  from  this  J  

Inversions  and  two-­‐level  Systems……con3nue  

Radia3ve  Decay  Rates-­‐  Radia3ve  vs  Collisional  

Before  we  move  to  3  and  4-­‐level  laser  system,  we  must  introduce  a  very  important  property  of  decay  rates.      From  Chapter  4  we  know    Radia?ve  decay  rate  α  νul2  Aul  α  ΔEul2    

Furthermore,  it  has  been  shown  empirically  that  collisional  decay  rate  has  the  property:    kul  α  1/ΔEul  

Steady-­‐state  Inversions  in  3-­‐  and  4-­‐  Level  Systems  

v  ΔNul  >  1  

v  dN/dt  =  0  

v  Pumping  flux  is  constant  

v  Constant  flow  of  energy  among  the  levels.  

v What  would  be  the  expression  for  Nu/Nl,  i.e.,  ΔNul      

3-­‐  Level  Laser  with  Intermediate  Level  as  Upper  Laser  Level  

Ø  Aul>>  γul  

Ø  ΔEli  &  ΔEul  >>  kT  

Ø  Principle  of  detailed  balance  Ø  Nuγul  =  Nlγlu  

Ø  à            Very  small  at                room  temp  

for  values  of  ΔEul  associated  with  visible  lasers  

Ø  No  external  pumping  occurs  from  level  l  to  level  u  

3-­‐  Level  Laser  with  Intermediate  Level  as  Upper  Laser  Level  

Rate  equa3ons  for  Ns  

Also  

On  solving  for  Nl  and  Nu  

3-­‐  Level  Laser  with  Intermediate  Level  as  Upper  Laser  Level  

All  γ  terms  are  constants  –  physical  proper3es  of  laser  material.  However,  Γli  is  a  variable,  indica3ng  how  hard  we  are  pumping  the  gain  medium  to  achieve  popula3on  inversion.  

Highlights:    ü  Ra3o  of  γil/  γiu  to  be  as  small  as  possible  

 (atoms  goes  to  level  u  rather  than  back  to  level  l)  

ü  γul  should  be  small    (long  lived  u  level  is  referred  as  metastable  level)  

 The  last  point  tends  to  confuse,  don’t  we  want  radia3ve  decay  from  u  to  l?      What  can  be  gained  by  suppressing  this  component?      Decay  from  level  u  to  level  l  is  predominantly  radia3ve,  i.e.,            &  Inversion  is  produced  if      

3-­‐  Level  Laser  with  Highest  Level  as  Upper  Laser  Level  

The  steady-­‐state  equa3on  keeping  in  mind  with    previous  assump3on  of  thermal  equilibrium  role.  

Solving  it  for  Nu  and  Nl  gives:  

3-­‐  Level  Laser  with  Highest  Level  as  Upper  Laser  Level  

In  order  to  have  net  gain,  we  require  that    

We  are  including  degeneracy  factors  here,  as  this  type  of  3-­‐level  system  is  generally  used  for  gas  lasers.  All  together,  the  condi3on  for  gain  becomes:  

In  gases  collisional  decay  processes  are  negligible  compared  to  radia3ve  decat  due  to  much  lower  atomic  density  in  comparison  to  solids,  hence      Thus  we  have  

3-­‐  Level  Laser  with  Highest  Level  as  Upper  Laser  Level  

Apparently,   a   popula3on   inversion   can   be  obtained   in   this   system   if   Alo   is   significantly  greater   than  Auo,   provided   as  well   that   Γol   is  not  highly  favoured  over  Γou.    The  rela3onship  between  Alo  and  Auo  is  quite  common.   Recall   from   our   discussion   of  selec3on   rules   in   chapter   4   that   the   laser  transi3ons   is   in   most   cases   a   dipole  transi3on,   requiring   that   u   and   l   have  opposite  parity.  If  Alo  is  large,  this  implies  that  l  and  o  have  opposite  parity  as  well,  meaning  that   u   and   o   have   same   parity-­‐   and   this  means  that  Auo  must  be  very  small!!    In   this   case,   we   can   rewrite   the   previous  equa3on  in  approximate  form  as  

3-­‐  Level  Laser  with  Highest  Level  as  Upper  Laser  Level  

For  popula3on  inversion:    High  Alo/Aul      Low  Γol/Γou  

For  example,  if  Γol  =  Γou  then  Alo  must  be  greater  than  2Aul  (assuming  for  simplicity  that  the  degeneracy  factors  are  equal).   In  any  case,   it  should  be  clear  that  a  fast  decay  out  of  the  lower  laser  level  and  high  pumping  flux  to  the  upper  laser  level  are  desirable.    We   cannot   force   Γol   to   be   zero,   because   gas   lasers   must   be  electrically   pumped   rather   than   op3cally   pumped.   With   op3cal  pumping,  we  can  tune  the  pumping  frequency  to  exactly  match  the  energy  difference  between  u  and  o.  in  contrast,  electrical  pumping  is  a   broadband;   the   kine3c   energy   of   the   electrons   follows   a   broad  sta3s3cal  distribu3on;  a  significant  Γou  implies  a  significant  Γol.  

4-­‐  Level  Laser  

•  A   4-­‐level   laser   is   a   combina3on   of   already  discussed  two  3-­‐level  systems,  see  figure  à  

•  For   reasons   iden3cal   to   those   stated   for   3-­‐level  systems   we   neglect   the   upward   excita3on  processes  γil,  γoi,  γlu,  γli  and  γui.    

•  We   can   also   neglect   the   decay   processes   γil,   γlo,  and  γuo.  The  reasoning  behind  this  simplifica3on  if  that   the  4-­‐level   laser   the  generally  used  only  with  solid-­‐state   laser   materials,   for   which   collisional  decay   rates   are   inversely   propor3onal   to   energy  separa3on.  

•  Γul  =  Aul    

•  Note   that   levels   l   and  o  are  generally   very   closely  spaced,   so   that   γlo   and   γol   cannot   be   considered  negligible.  

4-­‐  Level  Laser  The  steady-­‐state  rate  equa3ons  are  wrisen  as  follows:  

And  because  No  =  N-­‐  Ni  –  Nu  –  Nl,  we  can  write:  

Solving  for  the  two  levels  of  interest,  we  obtain  

4-­‐  Level  Laser  We  thus  find  the  ra3o:  

Assuming  that  gu  =  gl  (solid-­‐state  lasers)  we  find    

Note   as   well   that   typically   γlo   >>   γul,   since   the   energy    separa3on  between  l  and  0  is  very  small.  In  that  case,  

We  have  used  the  Boltzmann  rela3onship  for  the  ra3o  γ0l/  γl0.  

Overall  effect  is  that  there  is  a  rapid  collisional  decay  (on  the  order  of  10-­‐13  s)  from  I  to  u  and  from  l  to  0  –  this  ensures  that  u  is  highly  populated  while   level   l   is  sparsely  populated  (but    not  too  sparsely…the  energy  separa3on  ΔΕl0  is  very  small,  so  it  would  be  incorrect  to  assume  Nl<<  N0).