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

19042. Уравнение Томаса-Ферми 127 KB
  Лекция 24 Уравнение ТомасаФерми Распределение заряда и электрического поля в атомах с учетом взаимодействия электронов друг с другом проводятся методами самосогласованного поля. Эти расчеты очень сложны и громоздки особенно многоэлектронных атомов. Но как раз дл
19043. Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай невырожденного спектра 279 KB
  Лекция 25 Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай невырожденного спектра Точное решение стационарного уравнения Шредингера как правило представляет собой существенную математическую проблему и возможно только для простейших кв...
19044. Теория стационарных возмущений в случае невырожденного спектра: примеры 309 KB
  Лекция 26 Теория стационарных возмущений в случае невырожденного спектра: примеры Рассмотрим несколько примеров. Пусть на одномерный гармонический осциллятор наложено возмущение . Найдем поправки первого и второго порядка к энергетическим уровням осциллятора. ...
19045. Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай вырож-денного спектра 269.5 KB
  Лекция 27 Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай вырожденного спектра Рассмотрим теперь случай когда невозмущенный оператор Гамильтона имеет вырожденные собственные значения. Пусть функции ... отвечают одному и тому же собст...
19046. Теория стационарных возмущений в случае вырожденного спектра. Примеры 441 KB
  Лекция 28 Теория стационарных возмущений в случае вырожденного спектра. Примеры Рассмотрим несколько примеров применения теории возмущений в случае вырожденного спектра. Пусть трехмерная частица находится в сферически симметричном потенциале в котором отсутст...
19047. Теория нестационарных возмущений. Переходы под влиянием возмущений, зависящих от времени 777 KB
  Лекция 29 Теория нестационарных возмущений. Переходы под влиянием возмущений зависящих от времени Согласно постулатам квантовой механики волновая функция любой квантовой системы удовлетворяет временному уравнению Шредингера 1 где гамильтониан системы...
19048. Теория нестационарных возмущений. Примеры 838 KB
  Лекция 30 Теория нестационарных возмущений. Примеры Рассмотрим примеры применения теории нестационарных возмущений для простейших квантовых систем. Пусть на гармонический осциллятор находящийся в основном состоянии начиная с момента времени действует малое в...
19049. Адиабатические и внезапные возмущения. Переходы под действием внезапных возмущений 1.15 MB
  Лекция 31 Адиабатические и внезапные возмущения. Переходы под действием внезапных возмущений Исследуем общую формулу для вероятностей переходов на предмет зависимости вероятности перехода 1 от времени действия возмущения некоторые элементы такого анали
19050. Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр 1.21 MB
  Лекция 32 Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр Рассмотрим теперь случай возмущений зависящих от времени периодически. Пусть на частицу находящуюся в стационарном состоянии с энергией действует