Сверхлюминесценция (суперлюминесценция) -излучение активной среды, в которой создана инверсия населённостей уровней энергии без обратной связи. Сверхлюминесценция наблюдается в активной среде лазера до достижения порога генерации или в направлениях, для которых усиление на проход меньше потерь. Сверхлюминесценция отличается от люминесценции суженным спектром и диаграммой направленности, имеющей максимум в направлении максимальной длины пути в усиливающей среде; от лазерного излучения - отсутствием модовой структуры, меньшей направленностью и более широким спектром. Явление сверхлюминесценции играет вредную роль в многокаскадных лазерных усилителях, т. к. снижает степень инверсии населённостей. Для уменьшения сверхлюминесценции между каскадами применяют оптические развязки. В безрезонаторных однопроходных лазерах с большим коэффициентом усиления, имеющих длину, много большую поперечных размеров активной среды, сверхлюминесценция выступает в качестве лазерного излучения. Схемы таких лазеров обсуждаются как один из возможных путей осуществления рентгеновских и гамма-лазеров.

Суперлюминесценция – тоже самое, что усиление спонтанного излучения, процесс, при котором спонтанное излучение (люминесценция) усиливается.
В лазерной среде с большим усилением люминесценция за счет спонтанного излучения может усиливаться до высоких уровней мощности. Такое усиленное люминесцентное излучение может использоваться в случае, когда требуется свет и низкой временной, но хорошей пространственной когерентностью. Также такое излучение появляется в активной среде лазера не достигшей порога генерации.

Несмотря на то, что люминесценция изначально происходит во всех направлениях в пространстве, суперлюминесценция в усиливающих средах является строго направленной с большим характеристическим отношением. В предельном случае рассмотрение волоконного лазера или волоконного усилителя, в которых суперлюминесцентное излучение распространяясь вдоль волокна, дает гораздо большую интенсивность, чем обычная люминесценция.

В лазерах и в частности в усилителях с большим коэффициентом усиления суперлюминесценция является нежелательным эффектом. Она ограничивает усиление, достижимое на первой ступени волоконного усилителя до значений порядка 40-50 дБ. Большие значения усиления, например в случае усиления импульсов, возможны если используются отдельные ступени усилителя разделенные фильтрами, изоляторами и/или оптическими модуляторами. В частности, в некоторых волоконных лазерах суперлюминесценция может мешать лазерной генерации на предельных длинах волн, если усиление на других длинах волн достаточно высоко для генерации сильной суперлюминесценции. Преодоление этих проблем может быть осуществлено путем оптимизации общего дизайна лазера, уделяя особое внимание длине волокна, примесным уровням и т.п. Суперлюминесценция на нежелательных длинах волн может быть подавлена посредством точного дизайна волокна (например, фотонно-кристаллические волокна), дающего большие потери вне желаемого спектрального диапазона. Подобные проблемы возникают в некоторых твердотельных лазерах, например для Nd:YAG лазеров, которые работают на 946 нм, сильная суперлюминесценция наблюдается при 1064 нм и может подавить лазерное излучение на основной частоте.

Даже если суперлюминесценция в усилителях не столь сильна, чтобы давать значительную интенсивность, она может вносить значительный вклад в усиленный сигнал. Следует также отметить, что для квази- трехуровневой системы активной среды эффект суперлюминесценции сильнее, чем для четырехуровневой среды.

Как показано на рисунке 1, спектр суперлюминесценции на выходе волоконного усилителя может сильно отличаться от люминесценции, выходящей с противоположного конца волокна. Это связано с частотной зависимостью усиления и перепоглощением. (Последнее справедливо только для квази- трехуровневой системы активной среды). Более того, могут отличаться так же и интенсивности суперлюминесценции выходящей из переднего и заднего концов волокна. Обычно суперлюминесценция сильнее в направлении противоположном накачке. И наконец, форма спектра суперлюминесценции может зависеть от интенсивности накачки (см. рис.2).

Аспекты интенсивности начинают играть роль, когда суперлюминесценция происходит в структурах светопередачи, таких как оптоволокно.
Вопреки ожиданиям, интенсивность суперлюминесценции зависит только от числа мод, а не от их частных свойств.
 

 

Если атом уже находится в возбуждённом состоянии, переход к основному состоянию может произойти принудительно, если рядом пройдёт фотон частоты ν₂₁, соответствующей энергии ΔE. При этом атом излучит второй фотон частоты ν₂₁. Так как первый фотон при этом не поглотился, на выходе мы будем иметь уже два фотона одинаковой частоты. Такой процесс называется вынужденным излучением. Количество принудительно излучивших атомов пропорционально числу атомов в возбуждённом состоянии N₂, а также интенсивности внешнего излучения.

Ключевым моментом процесса вынужденного излучения является то, что второй фотон имеет ту же частоту и фазу, что и первый. Другими словами, оба фотона когерентны. Это свойство делает возможным процесс оптического усиления, а, следовательно, и создание лазеров.

В процессе работы лазера имеют место все три описанных выше механизма взаимодействия света с веществом. В начальный момент атомы переходят в возбуждённое состояние с помощью процесса накачки, который описан ниже. Некоторые из этих атомов спонтанно излучат некогерентные фотоны частоты ν. Эти фотоны возвращаются в рабочее тело лазера с помощью оптического резонатора, элемента конструкции лазера. Часть этих фотонов поглотится атомами, находящимися в основном состоянии, и они будут потеряны для процесса работы лазера. Другая же часть вызовет вынужденное излучение возбуждённых атомов, создавая когерентные фотоны. В результате мы получим оптическое усиление.

Если количество фотонов, участвующих в усилении за единицу времени больше числа фотонов, поглощённых атомами, общее количество фотонов начнёт увеличиваться, и можно будет сказать, что коэффициент усиления рабочего тела стал больше единицы.

Если использовать приведённые выше соотношения для процессов абсорбции и вынужденного излучения, интенсивность каждого процесса пропорциональна количеству атомов в основном и возбуждённом состоянии N₁ и N₂. В случае, если количество атомов в основном состоянии намного больше, чем в возбуждённом (N₁ > N₂), процесс абсорбции будет доминировать и все фотоны поглотятся. В случае равенства этих величин (N₁ = N₂), количество фактов поглощения будет соответствовать количеству фактов вынужденного излучения, а рабочее тело будет оптически прозрачным. Если же количество возбуждённых атомов будет преобладать (N₁ < N₂), процесс излучения будет доминировать. Другими словами, для работы лазера необходима инверсия населенностей.

Если атом находится в возбуждённом состоянии, он может самопроизвольно перейти в основное состояние с вероятностью, пропорциональной количеству возбуждённых атомов N₂. Разница в энергии между этими состояниями ΔE при этом излучится атомом в виде фотона частоты ν₂₁, которую можно найти из выражения:

.

При этом процессе фотоны излучаются неупорядоченно (стохастически), т. е. фазы волн таких фотонов не совпадают. Другими словами, спонтанное излучение некогерентно. В случае отсутствия других механизмов, количество возбуждённых атомов в момент времени t можно найти как

,

где N₂(0) — количество возбуждённых атомов в момент времени t=0, τ₂₁ — предполагаемое время до перехода между двумя состояниями.

Создание инверсии населённостей делает среду активной, т.е. способной к усилению излучения. Чтобы теперь от сверхлюминесценции в активной среде перейти к лазерной генерации, необходимо:
1) упорядочить по времени испускание квантов света активными центрами;
2) обеспечить параллельность векторов импульсов испускаемых фотонов (это означает, что фотоны двигаются в одном направлении);
3) добиться ещё большего усиления световой волны.
Последнее достигается очевидным способом – помещением на пути движения фотонной лавины обращающего её вспять зеркала. Отражённая назад лавина фотонов, вернувшись в активную среду, инверсия которой по-прежнему поддерживается усилиями накачки, вновь выступит инициатором актов вынужденного испускания. Поэтому, по мере продвижения в активной среде, лавина будет вновь усилена ( в связи с чем говорят о действии положительной обратной связи).
Для значительного усиления лавины требуется её многократное прохождение через активную среду с инверсией. Простейшим способом многократного действия положительной обратной связи является использование двух плоскопараллельных зеркал (иначе говоря, резонатора Фабри-Перо), расположенных на одной оси, причём активная среда помещается между ними.
Легко видеть, что резонатор автоматически обеспечивает селекцию испускаемых фотонов по направлению их распространения (по вектору импульса). В итоге лазерное излучение будет распространяться вдоль оси, перпендикулярной зеркалам, а фотоны, испущенные в иных направлениях, быстро покинут активную среду и не будут участвовать далее в отборе энергии у активной среды. Напротив, осевые фотоны, создавая в актах вынужденного испускания всё большее количество своих копий, станут "постоянными клиентами инверсии".
Первичные фотоны, образующиеся спонтанно, имеют различия не только в направлениях их импульсов, а это, как мы видели, нетрудно исправить. Дополнительные различия имеются и в длинах волн l испущенных фотонов. Во время первого прохода через резонатор усиливаются все лавины, составленные из фотонов с разными . Из оптики известно, что интерференция падающей и отраженной от зеркала волн приводит к образованию стоячей волны с удвоенной амплитудой. Поэтому в резонаторе после нескольких актов отражения останутся непогашенными (сиречь усиленными в результате интерференции) только те фотоны, длины волнlкоторых удовлетворяют условию возникновения стоячих волн в оптической системе из двух плоскопараллельных зеркал:

где L – расстояние между зеркалами,
m – целое число. Легко подсчитать, что если, например, l = 620 нм (красный свет), то при L = 5 см, m = (2L/l ) = 161*10³. Таким образом, теоретически возможно большое количество так называемых нормальных видов колебаний (мод) резонатора. Но так как резонатор заполняет активная среда, то реально испытывают усиление только те моды, длины волн которых совпадают или близки к вершине спектральной линии излучения активной среды за счёт спонтанной люминесценции. Используя специальные оптические элементы (дополнительные зеркала, дифракционные решетки), из набора осевых мод можно выделить минимум видов колебаний, обеспечив тем самым высокую монохроматичность лазерного излучения (рисунок 3).
 

Учтём теперь, что активная среда обладает, помимо полезной способности к усилению, свойством поглощения фотонов, характеризуемым показателем поглощения среды a, связывающим интенсивность световой волны до и после прохождения пути L в среде:

I = I₀ exp( - a L)

Учитывая потери энергии волны на отражающих зеркалах, можно записать условие преобладания процессов усиления над процессами поглощения за один проход волны в резонаторе:

I₀r₁r₂ exp( - 2a L) > I₀,