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

8083. Практическое применение бизнес-плана для организации и определение стратегических и тактических ориентиров фирмы ООО Лекарь 463.5 KB
  Введение Каждый предприниматель, начиная свою деятельность, должен ясно представлять потребность на перспективу в финансовых, материальных, трудовых и интеллектуальных ресурсах, источники их получения, а также уметь чётко рассчитывать эффективность ...
8084. Бизнес план предприятия Кофейни на 20-30 мест 65.3 KB
  Бизнес план предприятия Кофейни на 20-30 мест Введение. Родиной кофе является Кафа в юго-западной части Эфиопии. Из Эфиопии кофе был завезен через Красное море в Аравию. Особенно быстро кофе распространился в юго-западной части Йемена, в районе го...
8085. Бизнес-план Создание мини-пекарни 280.21 KB
  РАЗРАБОТКА БИЗНЕС-ПЛАНА НОВОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Бизнес-план Создание мини-пекарни Банковский кредит Прибыль чистая в месяц Срок окупаемости סмесяцев. Резюме: Бизнес-план посвящен созданию мини-...
8086. Бизнес - план, его сущность и значение 43.34 KB
  Введение. В рыночной экономике бизнес - план является рабочим инструментом, используемым во всех сферах предпринимательства. Бизнес - план описывает процесс функционирования фирмы, показывает каким образом её руководители собираются д...
8087. Аудиторская проверка учета кредитов и займов 63.9 KB
  Аудиторская проверка учета кредитов и займов План Введение I. Планирование аудиторской проверки кредитов и займов II. Классификация видов нарушений при привлечении кредитов и займов III. Источники и методы получения аудиторских доказательств ...
8088. Аудиторская проверка учёта расчётных и кредитных операций 84 KB
  Аудиторская проверка учёта расчётных и кредитных операций. Задачи, объекты и источники информации. Проверка расчётов с поставщиками и подрядчиками, покупателями и заказчиками. Аудит расчётов с подотчётными лицами. Аудит креди...
8089. Понятия о методах и приёмах воспитания. Классификация методов воспитания 22.47 KB
  Понятия о методах и приёмах воспитания. Классификация методов воспитания Методы воспитания - это пути, способы достижения заданной цели воспитания. Применительно к школьной практике можно сказать также, что методы - это способы воздействия...
8090. Методы формирования сознания личности 23.9 KB
  Методы формирования сознания личности Методы формирования сознания очень важны для формирования чувств, эмоционального переживания. Если ученики остаются безразличными к педагогическому воздействию, то, как известно, процесс развивается медленно и р...
8091. Методы организации деятельности и поведения 24.93 KB
  Методы организации деятельности и поведения Воспитание должно формировать требуемый тип поведения. Не понятия, убеждения, а конкретные дела, поступки характеризуют воспитанность личности. В этой связи организация деятельности и формирование опыта по...