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.