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

82312. Начало Великой Отечественной войны. Перестройка экономики и жизни республики на военный лад 29.16 KB
  Перестройка экономики и жизни республики на военный лад 22 июня 1941 года гитлеровская Германия вероломно без объявления войны напала на СССР. На первом этапе войны в КазССР были сформированы обучены и отправлены на фронт 14 стрелковых и кавалерийских дивизий 6 бригад. Высокими темпами в тылу шла подготовка командных кадров: 27 военных учебных заведений в основном переведенных из временно оккупированных врагом районов за годы войны подготовили 16 тыс.
82313. Распад СССР. Создание СНГ 29.12 KB
  Создание СНГ Весь 1990 год и особенно 1991 год в числе главных проблем стоящих перед СССР стояла проблема подписания нового Союзного договора.Горбачева был проведен общесоюзный референдум по вопросу о том быть или не быть СССР и каким ему быть. Большинство населения СССР проголосовало за сохранение СССР.
82314. Казахстан – надежный арсенал фронта в годы войны 34.75 KB
  В годы войны в увеличилась роль Казахстана в добыче медной руды производстве черной меди была организована добыча марганцевых и никелевых руд. Тем не менее в годы войны увеличились посевные площади и количество урожая было поставлено государству большое количество мяса и молока. С первых же дней войны экономика Казахстана была перестроена на военный лад.
82315. Конституция РК (структура содержание) 31.29 KB
  Действующая Конституция Республики Казахстан была принята 30 августа 1995 года на всенародном референдуме. Этот день является государственным праздником – Днём Конституции Республики Казахстан. Определены основные направления реформирования базовых отраслей законодательства: в области конституционного законодательства: разделение полномочий ветвей власти; в области гражданского права: развитие частного права восстановление в полном объеме права собственности защита участников торговоденежных отношений от вмешательства государства; в...
82316. Герои- казахстанцы ВОВ. 1941-1945 годов 30.83 KB
  Семенченко ставший первым казахстанцем – Героем Советского Союза Р.Бородино ворвался в штаб немецкой части и уничтожил пять немецких офицеров за что ему посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза. В боях за Днепр самым юным Героем Советского Союза из казахов стал 18летний Жанибек Елеусов. Так многими орденами и медалями были отмечены боевые заслуги бесстрашной летчицы Рахимы Ералиной механика самолета трижды Героя Советского Союза И.
82317. Послание Президента народу Казахстану Казахстан 2030. Успехи и достижения Казахстана на современном этапе 29.38 KB
  Успехи и достижения Казахстана на современном этапе. Послание Президента страны народу Казахстана. Далее в своей работе Назарбаев отмечает 3 основные возможности внешнего характера для Казахстана: 1 географическое положение на перекрестке дорог в евроазиатском регионе; 2 поддержка со стороны иностранных государств и донорских организаций; 3 процесс глобализации и научнотехнического прогресса. Миссия Казахстана.
82318. Наука, культура и образование Казахстана в годы войны 1941-1945 годах 31.71 KB
  В годы войны в республике были созданы следующие научные учреждения: в 1942 г. Столь стремительное развитие Казахстанской науки прежде всего связано с тем что в период войны на территории нашей республики находились многие видные учёные того времени. В годы войны крайне тяжёлое положение сложилось у школ и учреждений высшего образования.
82319. Переход к рыночной экономике. Введение национальной валюты 32.55 KB
  Введение национальной валюты Кардинальное реформирование экономики Казахстана началось еще до обретения независимости. Законы оразгосударствлении и приватизации о кооперативах и малых предприятиях начали приниматься еще в бытность Казахстана союзной республикой. Нефть из Казахстана отправлялась в Россию. Но Россия выставила неприемлемые для Казахстана ограничивающие его суверенитет условия.
82320. Перегибы в национальной политике в годы войны 1941- 1945 гг. Депортация народов 30.48 KB
  Уже после начала Великой отечественной войны в августе 1941 года был обнародован Указ О переселении немцев проживающих в районах Поволжья. В Поволжье в 1918 году была образована Трудовая коммуна немцев Поволжья преобразованная в 1924 году в Автономную ССР немцев Поволжья. были сняты ограничения в правовом положении немцев и членов их семей. 29 августа 1964 года с немцев были сняты все обвинения.