14674

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРА Явления возникающие при взаимодействии электромагнитных волн с веществом: поглощение атомы переходят из энергетического состояния E0 в состояние с энергией спонтанное излучение переход ат...

Русский

2013-06-09

166 KB

4 чел.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРА

Явления, возникающие при взаимодействии электромагнитных волн с веществом: 1) поглощение (атомы переходят из энергетического состояния E0 в состояние с энергией E1, где E0< E1);

2) спонтанное излучение (переход атомов из состояния E1 в состояние E0 с выделением фотона на частоте =(E1E0)/ħ, фаза и направление излучаемой электромагнитной волны случайны);

3) вынужденное излучение (переход атомов E1  E0 под воздействием внешнего электромагнитного излучения с частотой =(E1E0)/ħ; частота, фаза и направление излучаемой электромагнитной волны те же, что и у волны, вызвавшей данный переход);

4) безызлучательный переход (разность энергий E1E0 переходит в кинетическую энергию атомов и выделяется в виде тепла).

Изменение плотности потока фотонов dF, обусловленное процессами вынужденного излучения и процессами поглощения в слое длиной dz, определяется уравнением:

,     (1)

где N0 и N1 – концентрации атомов, находящихся в энергетических состояниях, соответствующих уровням E0 и E1 (т.е. заселенности уровней); – сечение перехода между уровнями 1 и 2. При термодинамическом равновесии N0 >> N1, значит, при воздействии электромагнитной волны с частотой =(E1E0)/ħ будет наблюдаться поглощение. Излучение возможно в результате создания инверсной заселенности: N1 > N0.

Рассмотрим наиболее простой путь создания инверсной заселенности, реализуемый  в 3-х уровневых атомных системах.

Пусть воздействие внешнего излучения приводит к переходу на уровень 2, минуя уровень 1. К моменту прихода системы в состояние равновесия концентрации N0 и N2 выравниваются, а наибольшей будет концентрация атомов с электронами на 1 уровне N1.

                         

Накачка требуется с частотой:

.      (2)

Переход с уровня 2 на уровень 1, как правило, является безызлучательным. Излучение фотонов будет происходить при переходе с уровня 1 на уровень 0 с частотой:

.      (3)

Конечно, частота накачки должна быть больше, чем частота излучения лазера (т.е. длина волны накачки меньше, чем длина волны излучения лазера) – из-за потери энергии на безызлучательный переход.

Для генерации лазерного излучения необходима положительная обратная связь, которая реализуется с помощью резонатора. Как только достигнута критическая инверсная заселенность, генерация разовьется из спонтанного излучения.

Принципиальная схема лазерного резонатора (интерферометр Фабри-Перо):

Таким образом, плотность потока энергии, проходящего через активную среду, меняется по закону:

, или,    (4)

где f = – ½ ln(12) – порог лазерной генерации,

1 и 2 – коэффициенты отражения поверхностей лазерного резонатора,

– коэффициент усиления активной среды.

Таким образом, условие стационарной лазерной генерации: .     (5)

При этом коэффициент усиления (или ослабления, в зависимости от знака ) лазерной среды зависит от концентраций следующим образом:

,          (6)

где – скорость света в данной среде, = c/n.

Здесь, а также в (1) и (2) w  – частота генерируемого (или усиливаемого) фотона, В – коэффициент Эйнштейна, приблизительно равный обратной величине времени жизни электрона на нестабильном уровне.

Чтобы лазер эффективно генерировал электромагнитную волну на частоте wlaser, в резонаторе должно установиться целое число полуволн с частотой wlaser. В этом случае проходящие через полупрозрачную поверхность волны с частотой wlaser будут интерферировать синфазно, т.е. будет происходить их усиление. Следовательно, лазерный ИФП должен быть настроен на частоту

,     (7)

где K – целое число, определяющее количество полуволн в лазерном резонаторе.

Постоянная Дирака: Дж∙с.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ:

Варианты: 1) laser = 850 нм; 2) laser = 980 нм; 3) laser = 1310 нм; 4) laser = 1550 нм.

  1.  Определить длину волны накачки лазера pump для излучения на длине волны laser, если энергия безызлучательного перехода составляет (E2E1)=1 эВ. Показатель преломления активной среды 1,5.
  2.  Определить длину лазерного резонатора (в окрестности величины 100 мкм), при которой будет существовать устойчивая лазерная генерация на заданной длине волны laser.
  3.  Вычислить пороговую инверсную заселенность (N1N0) для лазерного резонатора, состоящего из двух плоскопараллельных зеркал с коэффициентами отражения 1=1 и 2=0,7. Длину резонатора взять из задания 2, сечение перехода = 3,510-19 см2.

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ДОЛЖЕН СОДЕРЖАТЬ:

1. Титульный лист в соответствии с установленной формой с фамилиями студентов.

2. Решение задач.

3. Выводы по работе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81685. Оцінка та істина 24.83 KB
  Оцінка як підведення під норму правило закон. За такої ситуації оцінка виявляє себе як акт пізнання щодо відповідності вчинку чи творіння людини нормі. Як і в першому випадку підведення під норму є конституюванням визнанням цінності; 3 оцінка як вибір з поміж двох і більше цінностей.
81686. Сутнісні принципи культури 26.79 KB
  Одним із головних завдань культури є формування освіченої цивілізовано розвиненої особистості. У структурі культури як певного цілісного організму розрізняють такі елементи: а субстанціональні ціннісно культурні інститути і системи норм мораль релігія побутова поведінка спілкування індивідів етикет; б функціональні традиції обряди звичаї заборони табу які є неписаними регуляторами процесу функціонування культури. Байта у структурі культури як системи правомірно розрізняти технологічну соціальну та ідеологічну підсистеми...
81687. Культурний Рух, простір і час – атрибутивні властивості матерії 27.75 KB
  Рух його джерело та причини завжди були у полі зору філософів і вченихприродознавців. Так уже Геракліт не лише визнавав усе загальний характер руху але й виявив його суперечливість: все існує і в той же час не існує; все тече й постійно змінюється; все перебуває у постійному процесі виникнення та зникнення. Отже рух матеріальних тіл викликають їх внутрішні і зовнішні взаємодії поза якими існування цих тіл неможливе.
81688. Культура і цивілізація: розуміння та перспективи розвитку 27.2 KB
  Так цивілізований і культурний сприймаються як поняття тотожні але цивілізація ікультура не синоніми. Цивілізація висловлює щось спільне раціональне стабільне. Цивілізація визначає загальне в співтовариствах що виникають на базі однотипних технологій.
81689. Проблема кризи сучасної культури в провідних концепціях 19-20 століть 28.37 KB
  Причини такого ставлення до культури на думку Г. Тому як вважає Зіммель новою парадигмою здатною об´єднати світ духовної культури епохи є поняття життя як своєрідного центра світобудови: звідти йде шлях з одного боку до душі і Я а з іншого до ідеї Космосу Абсолюту. Першим аргументовано підійшов до проблеми кризи культури звернув увагу на вулканічне підґрунття історії розсіяв загрозливі ілюзії її лінійного прогресу німецький культурфілософ О.
81690. Поняття суспільства. Структура та функції соціальної системи 24.59 KB
  Суспільство раціонально організована спільнота людей об’єднаних спільною спрямованістю інтересів взаємною угодою в розумінні принципів колективного існування. Цим суспільство відрізняється від спільності – органічного об’єднання людей пов’язаних єдиним походженням родинними зв’язками єдністю долі сім’я рід плем’я народ та від держави – раціонально організованого апарату управління суспільством. В цілому суспільство – це соціальна система що охоплює сукупність соціальних об’єктів та суб’єктів їхніх властивостей і відносин що...
81691. Суспільство як система: основні сфери та закони розвитку суспільного життя. Духовне життя соціуму 26.65 KB
  Останні є суттєвими характеристиками суспільства. Для суспільства характерні: системна організація особливий механізм передачі інформації єдність матеріальних та духовних процесів. Основними сферами життєдіяльності суспільства є: матеріальновиробнича та економічна діяльність виробництво обмін та розподіл матеріальних благ продуктивні сили та виробничі відносини НТП сільське господарство фінанси економіка банківська діяльність побуту та сімейних стосунків сім’я побут соціальногуманітарних відносин закони та правові норми...
81692. Джерела та спонукальні сили соціального розвитку 23.68 KB
  Виділяють принаймні три джерела розвитку суспільства: природні фактори Монтеск’є Гумільов Вернадський матеріальне виробництво Маркс Ростоу Бжезинский зміни культурного життя та системи духовних цінностей Конт Сорокін. Насправді усі три фактори в єдності виступають джерелами розвитку суспільства. Окрім цього існує інший погляд який джерелами саморозвитку суспільства визначає: протиріччя між природною та культурною організаціями суспільні відносини та духовний потенціал суспільства.
81693. Культурно-історичний час і простір 22.69 KB
  Як форми руху матерії простір і час постають загальним «засобом організації» будь-якого обєкта дійсності: простір — у найзагальнішому плані — це форма сталості, збереження обєкта, його змісту; час — форма його розвитку, внутрішня міра його буття та самознищення. Доповнюючи один одного, простір і час функціонують як універсальна форма організації всієї різноманітності нескінченного світу