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

96 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

65839. ОСНОВЫ РАБОТЫ С ТЕКСТОВЫМ РЕДАКТОРОМ AWK И ЯЗЫКОМ ПРОГРАММИРОВАНИЯ PERL 38.48 KB
  Цель работы — изучение возможностей, предоставляемых интерактивным текстовым редактором AWK из состава ОС UNIX, а также ознакомление с языком программирования Perl. Использованные теоретические сведения В ходе выполнения лабораторной работы были использованы теоретические...
65840. Профілактичне обслуговування клавіатури та маніпуляторів типу «миша» 542 KB
  Мета: Набути вмінь та навиків при профілактичному обслуговуванні пристроїв вводу інформації Теоретичні відомості Часто зустрічається така ситуація коли кнопки при роботі починають гірше натискатися. Розглянемо порядок профілактики клавіатури. Повторюємо цю операцію 103 або більше разів залежно від типу клавіатури.
65841. Освоение технологии структурного программирования при разработке и создании программы на языке Турбо Паскаль для ветвящегося вычислительного процесса 287.5 KB
  Вычислительный процесс называется ветвящимся, если для его реализации предусмотрено несколько направлений (ветвей). Каждое отдельное направление процесса обработки данных является отдельной ветвью вычислений.
65842. Основы работы с текстовым редактором AWK и языком программирования Perl 52.5 KB
  Для чего в Perl используются операторы привязки? Операторы привязки используются для совершения над строками операций по шаблонам. Например, поиск и замена участка строки, совпавшего с регулярным выражением.
65843. УПРАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬЮ ЯДРА ОПЕРЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 168.27 KB
  Не вникая в подробности, можно сказать, что схемы идентификации PCI- и USB- устройств парой VendorID — DeviceID по сути одинаковы, поэтому написание своего модуля не составило большой сложности.
65844. Изучение принципов действия, конструкции и характеристик комбинированного указателя скорости и указателя числа М 1.44 MB
  Настоящая работа ставит своей целью изучить назначение, принцип действия, особенности устройства и конструкции, а также основные метрологические характеристики барометрических указателей скорости и числа М.
65847. Проектирование локальной сети 23.94 KB
  Цель работы: Изучить основные виды, преимущества и недостатки сетевые топологии, их, наиболее распространенные типы сетей, виды и методы доступа к среде передачи данных, сетевые архитектуры.