28181

Лазеры. Принципиальная схема лазера. Основные структурные элементы лазера и их назначение. Типы лазеров. Основные характеристики лазеров

Доклад

Физика

Каждому радиационному переходу между энергетическими уровнями и в спектре соответствует спектральная линия характеризующаяся частотой и некоторой энергетической характеристикой излучения испущенного для спектров испускания поглощенного для спектров поглощения или рассеянного для спектров рассеяния атомной системой. При этом распространение излучения в среде обязательно сопровождается уменьшением его интенсивности выполняется закон Бугера где интенсивность излучения вошедшего в вещество d толщина слоя коэффициент...

Русский

2013-08-20

181 KB

98 чел.

  60. Лазеры.  Принципиальная  схема  лазера. Основные структурные элементы лазера и их назначение. Типы   лазеров. Основные характеристики лазеров

Квантовые переходы атомной системы из одного стационарного состояния в другое обусловлены получением извне или передачей энергии этой системой другим объектам или ее излучением в окружающее атом пространство. Переходы, при которых атомная система поглощает, испускает или рассеивает электромагнитное излучение, называются радиационными (или излучательными). Каждому радиационному переходу между энергетическими уровнями  и  в спектре соответствует спектральная линия, характеризующаяся частотой  и некоторой энергетической характеристикой излучения, испущенного (для спектров испускания), поглощенного (для спектров поглощения) или рассеянного (для спектров рассеяния) атомной системой. Переходы, при которых происходит непосредственный обмен энергией данной атомной системы с другими атомными системами (столкновения, химическая реакция и т. д.), называются нерадиационными (или безызлучательными).

Основными характеристиками энергетического уровня  являются:

степень (кратность) вырождения, или статистический вес – это число различных стационарных состояний (функций состояния), которым соответствует энергия ;

населенность – это число частиц данного сорта в единице объема, имеющих энергию ;

время жизни возбужденного состояния  – это средняя продолжительность пребывания частицы в состоянии с энергией .

Спектральное положение линии (полосы), т.е. частоту линии можно определить, применяя правило частот Бора

.                                                          (4)

В естественных условиях для пары уровней, таких, что E2 > E1, в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана всегда и ΔW < 0. При этом распространение излучения в среде обязательно сопровождается уменьшением его интенсивности – выполняется закон Бугера ,   где  – интенсивность излучения, вошедшего в вещество, d – толщина слоя,  – коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны – положительная величина.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение (ΔW > 0), необходимо, чтобы выполнялось условие  или (в отсутствие вырождения) N2 > N1. Другими словами, равновесное распределение населенностей должно быть нарушено таким образом, чтобы состояния с большей энергией были заселены сильнее, чем состояния с меньшей энергией.

Среда, находящаяся в неравновесном состоянии, при котором распределение населенностей хотя бы для двух уровней энергии инвертировано (обращено) по отношению к распределению Максвелла—Больцмана, называется инверсной. Такие среды обладают отрицательным коэффициентом поглощения α (см. (1) – закон Бугера), т.е. при прохождении сквозь них излучения его интенсивность увеличивается. Такие среды называют активными. Для усиления света в активной среде энергия, излучаемая в единицу времени, должна превышать суммарные потери энергии, обусловленные поглощением излучения в активной среде и выведением излучения из среды в направлении распространения излучения (полезные потери).

Принцип действия лазера

Генератор излучения в оптическом диапазоне называется лазером. В соответствии с ГОСТ 15093—75 лазер — это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, принцип действия которого основан на использовании вынужденного излучения. Структурная схема лазера, представленная на рисунке 1, включает три основных элемента: лазерную активную среду (активную среду), систему накачки и оптический резонатор.

     

В основе одного из наиболее распространенных методов генерации незатухающих колебаний, хорошо разработанном в электронике и радиотехнике, лежит использование усилительного элемента, охваченного положительной обратной связью. В квантовой электронике в качестве усилительного элемента используется активная среда, а положительную обратную связь обеспечивает оптический резонатор, образованный в простейшем случае обращенными друг к другу отражающими поверхностями (зеркалами). Оптическое излучение, которое распространяется в направлении, перпендикулярном к зеркалам резонатора, будет поочередно отражаться от них и усиливаться при каждом проходе через активную среду. Такие многократные проходы излучения через одну и ту же среду эквивалентны увеличению ее протяженности и обеспечивают получение больших коэффициентов усиления при относительно малых длинах активной среды. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. Изменяя коэффициент его отражения r2, можно регулировать величину обратной связи.

Среда, в которой создана инверсная населенность хотя бы для одной пары энергетических уровней и которая способна усиливать излучение на частоте лазерного перехода, называется лазерной активной средой. Квантовые переходы между уровнями с инверсной населенностью называются лазерными переходами.

Процессы, приводящие к возникновению инверсной населенности в активной среде, называются накачкой, а физическая система, обеспечивающая эти процессы, — системой накачки. Вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда, называется лазерным веществом.

Оптический резонаторэто система отражающих, преломляющих, фокусирующих, дисперсионных и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического диапазона, называемые собственными колебаниями или модами резонатора.

Естественно, не всякая система усилительная среда – резонатор является генератором. Необходимо ещё выполнение условия самовозбуждения, смысл которого для лазера заключается в том, что потери энергии оптического излучения за один проход через активную среду должны быть скомпенсированы усилением за этот же проход. При этом в общий баланс должны быть включены как потери энергии на излучение, вышедшее за пределы резонатора (полезные потери), так и паразитные потери на рассеяние излучения, его поглощение в активной среде и зеркалах резонатора.

Если ввести для описания суммарных потерь коэффициент  потерь β, то интенсивность излучения, прошедшего в активной среде расстояние l, определится по формуле

,

где α ~ (N2N1) – коэффициент квантового усиления, прямо пропорциональный инверсии населённостей лазерных уровней. Условие начала генерации (порог генерации) определяется равенством α0 = β0, где α0 – пороговое значение коэффициента усиления активного элемента лазера, β0 – коэффициент полных потерь электромагнитной энергии за один проход.

Условие самовозбуждения выполняется при достижении некоторой пороговой плотности инверсии ΔN0. В этом случае генерация излучения начнется из любого спонтанно излученного кванта, частота которого совпадает с частотой лазерного перехода. Условия стационарной генерации имеют вид:

 

где reff  - некоторый эффективный коэффициент отражения зеркал, меньший их истинного коэффициента отражения r, L – длина резонатора. Величина  f  – относительные потери энергии. Они связаны с добротностью резонатора и его длиной соотношением

Q = 2L/(λf) = q/f,

где λ –длина волны, q –число полуволн, укладывающихся на длине резонатора L.

Принцип квантового усиления отличается от классического, использующего свойства автоколебательных систем. Усиление в данном случае достигается в результате суммирования энергий излучения огромного множества идентичных элементарных колебательных систем, в качестве которых используются атомы, ионы или молекулы вещества. Нужные фазовые соотношения при таком суммировании выполняются автоматически за счет физической природы процессов вынужденного испускания, обеспечивающей когерентность усиления. Роль свободных колебаний в момент "запуска" играют соответствующие спонтанные переходы. Энергия, необходимая для возбуждения частиц с целью создания инверсной населенности, поступает от системы накачки.

На рисунке 2 представлены схемы переходов и зависимости населенностей уровней при двух-, трёх- и четырёхуровневой системе возбуждения.

Анализируя их, видим, что в двухуровневой схеме получение инверсной населённости невозможно.

В трёхуровневой системе инверсная населённость имеет место, если плотность мощности излучения накачки превышает пороговое значение плотности накачки по инверсии ρинв, а генерация начинается, если превышено поровое значение плотности мощности накачки по генерации ρ ≥ ρген, при котором  выполнено условие квантового усиления.

                  

 В четырехуровневой схеме каналы накачки и лазерной генерации полностью разделены. Пороговая плотность накачки по инверсии в четырехуровневой схеме возбуждения близка к нулю. Четырехуровневая схема возбуждения лазера оказывается с энергетической точки зрения несомненно более эффективной по сравнению с трехуровневой. Использование лазерного вещества, обладающего подобной структурой энергетических уровней, позволяет достигать высоких параметров лазерного излучения при сравнительно невысоких энергетических затратах.

В зависимости от того, какова активная среда лазера, различают газовые, жидкостные, твердотельные лазеры.

Среди газовых лазеров выделяют атомарные (пример – гелий-неоновый лазер), молекулярные (лазер на CO2), ионные (LiF). Выделяют особо экситонные лазеры, рабочим веществом в которых являются возбужденные (экситонные) молекулы инертных газов (аргон). Жидкостные лазеры характеризуются возможностью перестраивания частоты генерируемого излучения в пределах диапазона, соответствующего полосе поглощения растворённого в жидкости лазерного вещества (например, родамина 6Ж). Твердотельные лазеры содержат в качестве активного элемента кристаллические (рубиновый лазер) или стеклянные (неодимовый лазер) стержни, легированные ионами, при переходе между уровнями которых возможна лазерная генерация (соответственно – ионы хрома и неодима).

В зависимости от режима действия различают лазеры непрерывного действия и импульсные лазеры.

Импульсный режим работы лазера может быть обусловлен импульсным режимом возбуждения или условиями генерации. В режиме импульсного возбуждения (в отсутствие специальных мер) реализуется режим свободной генерации, и при прекращении возбуждения генерация прекращается.

Особый практический интерес представляет режим гигантских импульсов, для получения которых используется модуляция добротности резонатора (например, посредством специальных оптических затворов).

Характеристиками лазеров является длина волны генерируемого излучения, степень монохроматичности излучения, расходимость излучения, плотность мощности генерируемого излучения, энергия в импульсе, длительность импульса, скважность импульсов и др.

Свойства лазерного излучения – высокая монохроматичность, когерентность, высокая плотность мощности и огромная яркость (в 1010 ÷ 1012 раз ярче Солнца), малая расходимость.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32813. Этапы развития русской философии, её основные черты 15.04 KB
  Этапы развития русской философии её основные черты. Основные этапы развития русской философии совпадают с этапами развития истории России. развитие русской философии неразрывно связано с социальнополитическими событиями с особенностями социальноисторического процесса в России. Этапы развития русской философии.
32814. П.Я. Чаадаев – первый русский философ. Западники и славянофилы. «Русская идея» 15.9 KB
  Русская идея. Основная идея гносеологии Чаадаева объективная обусловленность сознания. Идея соборности является центральной в его учении и обозначал свободное объединение людей на основе любви к Богу и друг к другу. Русская идея и ее современное звучание.
32815. Русская религиозная философия 2-й половины 19-20 веков. «философия всеединства» В.Соловьева 14.74 KB
  философия всеединства В. Центральной идеей русской религиозной философии выступает идея всеединства которая стала основанием для формирования целого философского направления метафизики всеединства. философия всеединства оформилась в последней четверти ХIХ века Ее основоположником является В. Соловьев 1853 1900 который в своем философском труде Кризис западной философии против позитивистов наметил основную проблематику концепции всеединства.
32816. Философия русского космизма 14.01 KB
  Основные проблемы космизма: единство человека природы и космоса; место разума во Вселенной развитие космонавтики новая космическая этика и др. Философия общего дела представляет собой проект регуляции природы обращенный на преобразование мира. Регуляция природы мыслится им как принципиально новый сознательный этап развития мира и всего космоса. Проект регуляции природы для него есть только необходимое условие исполнения высшего нравственного долга победы над смертью.
32817. Материалистическая (революционно-демократическая) традиция русской философии 14.08 KB
  Ленина 1870 1924 гг. Ленин продолжает марксистскую традицию в философии развивает учение Маркса применительно к новому этапу научного и социальнополитического развития. Основной философский труд Ленина Материализм и эмпириокритицизм. Ленин дал глубокий анализ новых достижений естествознания с позиций диалектического материализма и изложил основные принципы диалектикоматериалистической теории познания.
32818. Философское значение творчества российских ученых-естествоиспытателей 13.47 KB
  Это позволяет ученому сделать заключение о том что под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера неизбежно должна перейти в новое состояние в ноосферу высший завершающий и закономерный этап в эволюции биосферы. Вернадский рассматривал переход биосферы в ноосферу как явление планетарного масштаба подчеркивая что на новом этапе эволюции человечество своей жизнью стало единым целым. В статье Несколько слов о ноосфере опубликованной в 1944 году во время разрушительной мировой войны ученый тем не менее утверждает:...
32819. Особенности формирования и характерные черты западноевропейской фил. 20 в 14.25 KB
  ХХ век в мировой истории характеризуется рядом особенностей: небывалый научнотехнический прогресс результаты которого значительно изменили облик мира и человека. В то же время развитие науки и техники породило множество проблем; стремительность масштабность и радикальность изменений происходящих в мире и в жизни общества; глобализация происходящих процессов: научнотехнические достижения становятся достоянием всего мира возникающие проблемы также носят глобальный характер; демократизация политической сферы; глубокий кризис в...
32820. Философия экзистенциализма 14.78 KB
  Философия экзистенциализма. Идеи экзистенциализма оказали большое влияние на литературу театр кино многие его представители люди искусства. Философия экзистенциализма носит индивидуалистический характер. Важнейшая категория экзистенциализма смерть.
32821. «Философия жизни», как одно из основных направлений западноевропейской философии 20 в 14.13 KB
  Одним из вариантов стала философия жизни. Все существующее представители этого направления рассматривали как проявление некой первоначальной реальности жизни недоступной ни чувственному ни рациональному познанию и постигаемой только интуитивно в результате непосредственных переживаний. Противопоставляя науке и разуму интуицию и инстинкт философия жизни представляет собой антисциентистское иррационалистическое направление.