Оптоэлектроника и волоконная оптика. Гуртов В.А. - 146 стр.

Рис. 7.1. Упрощенная схема уровней энергии эрбия в кварцевом стекле

     Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу
между уровнями 2—1 ( 4I13/2 → 4I15/2). Каждый из этих уровней расщеплен на
ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим
полем кварцевого стекла (эффект Штарка). Под действием накачки за счет пог-
лощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уро-
вень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень 3), которое является корот-
коживущим (время жизни τз=1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят
в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2 энергии). Временем
жизни на этом уровне относительно велико (τ2=10 мс, т.е. τ2=10000τз), поэтому
число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности на-
качки может превышать число ионов на уровне 1.
     Если в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией
фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в ос-
новное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабиль-
ного уровня 2 на основной уровень 1 с одновременным рождением еще одного
фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия оз-
начает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инвер-
сией населенности.
     Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечива-
ют усиление. Часть ионов находится на уровне 1 и эти ионы, взаимодействуя
с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их
поглощают, переходя на уровень 2. При этом спектр усиления ионов эрбия
практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, нахо-
дящихся на уровне 2, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне
1, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием уси-
ления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочи-
ми уровнями энергии 2 и 1. Для создания инверсии населенностей в эрбиевом
усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метаста-


                                     146