Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Физические основы работы лазера и основные свойства лазерного излучения.






Оптический квантовый генератор (ОКГ) или лазер (от английского light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света за счет индуцированного испускания излучения) это нетрадиционный источник электромагнитных волн. Первоначально (шестидесятые годы) были созданы мазеры – квантовые генераторы высокочастотных ЭМВ. Немного позже были теоретически предсказаны и созданы экспериментально первые лазеры на кристаллах рубина. Основной принцип работы мазеров и лазеров – использование вынужденного излучения. При этом учитывается конкуренция поглощения и вынужденного испускания. В обычных системах поглощение превышает испускание и лазерный эффект не возникает. Для возникновения лазерной генерации необходимо, чтобы полный коэффициент поглощения, входящий в закон Бугера стал отрицательным (это означает, что свет не ослабевает, а усиливается).

При описании лазерной генерации форму коэффициента поглощения (б.1.6) видоизменяют, учитывая, какое количество частиц находится в начальном и конечном квантовом состоянии:

, (б.4.1)

где – полный коэффициент поглощения на частоте генерации лазера, – спектральная плотность (Фурье – составляющая) коэффициента Эйнштейна , то есть полная вероятность поглощения света на частоте , – статистический вес k – го состояния, – заселенность k – го уровня или число частиц системы, находящихся в k – м состоянии.

Первое слагаемое в (1) описывает переход с поглощением фотона , второе слагаемое описывает обратный переход , то есть вынужденное испускание фотона.

Как было сказано, преимущественное испускание (генерация) света начинается, когда становится отрицательным (чтобы убедиться в этом, посмотрите на формулу (б.1.9)). Тогда, проходя некоторый путь в активной среде, интенсивность света увеличивается.

Под активной средой понимается такое вещество (кристалл или стекло, жидкость, газ), где удается создать инверсную заселенность. Инверсная заселенность – это такое неравновесное состояние термодинамической системы, когда в состояниях с большей энергией находится больше частиц, чем в состояниях с меньшей энергией. В равновесном больцмановском случае ситуация противоположная и поглощение подавляет генерацию.

Создание инверсной заселенности первая проблема реализации лазерной генерации. Методы получения инверсии в настоящее время разработаны достаточно хорошо, они различны. Мы, в качестве примера, рассмотрим метод оптической накачки, впервые осуществленной в лазере на кристалле рубина.

В кристалл рубина добавляют небольшое количество атомов (ионов) хрома, в результате чего выделяются три примесных уровня: основной уровень , узкий (значит, долгоживущий) возбужденный уровень и весьма широкий (короткоживущий) возбужденный уровень . Энергии уровней связаны соотношением .

Около кристалла размещают мощную лампу – вспышку, интенсивность свечения и спектр излучения которой обеспечивает быстрые переходы . Уровень быстро распадается за счет переходов и на уровне накапливаются электроны. Поскольку этот уровень долгоживущий, он распадается медленно, так что заселенность становится больше заселенности . Возникает инверсия и коэффициент поглощения (1) становится отрицательным. В этих условиях начинается вынужденная генерация на рабочем переходе .

При использовании лампы – вспышки возбуждается импульсная лазерная генерация. Другие методы создания инверсной заселенности позволяют добиваться квазинепрерывной генерации (последовательность перекрывающихся коротких световых импульсов) или «настоящей» непрерывной генерации.

Мы дали упрощенное описание метода создания инверсной заселенности. Однако наличия такого состояния еще недостаточно для возбуждения настоящей лазерной генерации. Нужно еще добиться когерентности излучения. С этой целью активную среду помещают в оптический резонатор.

Оптический резонатор представляет собой два строго параллельных зеркала, одно из которых глухое (практически полностью отражает падающее на него излучение), а другое пропускает некоторую часть этого излучения, формируя выходной лазерный луч. В твердотельных лазерах зеркала обычно наносят непосредственно на отполированные параллельные поверхности торцев лазерного кристалла или стекла.

Резонатор выполняет две важные функции: он отбирает разрешенные моды и обеспечивает положительную обратную связь.

Разрешенные моды или типы колебаний – это набор собственных функций резонатора. Можно пояснить этот термин, сравнивая моды резонатора со звуковыми колебаниями, которые возбуждаются на гитарной струне, настроенной определенным образом. Более точная аналогия – частота звука органной трубы. Но все же мода оптического резонатора – более сложное понятие, там есть продольные и поперечные моды, которые отличаются различной добротностью.

Обратная положительная связь, обеспечиваемая резонатором, реализуется следующим образом.

Вначале в резонаторе имеется возбужденная активная среда, но нет фотонов – за исключением нулевых и тепловых колебаний поля. Тепловые колебания поля практически отсутствуют, так как , но они могут создавать малозаметные лазерные шумы. Нулевые колебания поля принципиально важны – они обеспечивают начало спонтанного излучения активной среды.

Первое спонтанное испускание одного из атомов активной среды создает «затравочный» фотон одной из разрешенных мод резонатора. При наглядном классическом описании этот фотон «летит» к одному из зеркал, заставляя другие атомы активной среды вынужденным образом испускать когерентные фотоны (то есть фотоны, во всем совпадающие с затравочным). Более строгое описание заставляет говорить о возбуждении «затравочной» моды, охватывающей весь резонатор и никуда не летящим.

Отразившись от зеркала, когерентные фотоны пробегают весь резонатор в обратном направлении, увеличиваясь в числе (проявление положительной обратной связи). После ряда «пробегов» интенсивность света внутри резонатора и на его выходе достигает максимального значения и начитает убывать, поскольку излучение уменьшает степень инверсии. Лазерный импульс заканчивается до новой вспышки лампы накачки.

Спонтанное испускание, явившееся «запалом» лазерной генерации в дальнейшем играет отрицательную роль, способствуя уменьшению инверсии увеличивая энергетические потери.

Таким образом, в основе работы лазера лежат три принципиальных момента:

1. Существование вынужденного излучения;

2. Возможность создания инверсной заселенности;

3. Использование оптического резонатора, осуществляющего отбор разрешенных мод и обеспечивающего положительную обратную вязь.

Перечислим теперь основные свойства лазерного излучения. К ним можно отнести (у разных типов лазеров эти характеристики могут существенно отличаться друг от друга):

– высокую степень монохроматичности; ширина линии излучения может достигать всего лишь сотню герц при частоте излучения порядка 1016 рад/с;

– высокую степень когерентности излучения – как по частоте и постоянству фазы, так угловую и пространственную когерентность;

– очень малую угловую расходимость пучка; она достигает дифракционного предела (порядка отношения удвоенной длины волны к диаметру выходного окна);

– очень широкий диапазон длительностей лазерных импульсов – от непрерывного режима до импульсов длительностью 10-14 с (и даже меньше);

 

– возможность получения очень высоких концентраций энергии в пространстве, во времени, на определенной частоте;

– широкий диапазон частот генерации (от инфракрасного до «вакуумного» ультрафиолетового) у разных типов лазеров;

– возможность плавной перестройки частоты излучения у некоторых типов лазеров.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.