Контрольная работа - Физика лазерного излучения - файл n1.doc

Контрольная работа - Физика лазерного излучения
скачать (306.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc307kb.07.11.2012 02:05скачать

n1.doc



Физика лазерного излучения.

Контрольная работа: по курсу физика лазерного излучения.
Тема:

Условия необходимые для осуществления процесса усиления света в лазере.

2009г
1) Введение: Лазер - источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Излучение лазеров может быть в видимом, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Вынужденное излучение - (индуцированное излучение) процесс испускания электромагнитных волн возбужденными атомами и другими

квантовыми системами под действием внешнего (вынуждающего) излучения. Частота, фаза, поляризация и направление испускаемого и

вынуждающего излучения совпадают.

Вынужденное излучение происходит при взаимодействии фотона (квант света) с возбужденным атомом при точном совпадении энергии

фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно

такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом появляется два абсолютно

идентичных фотона. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может в

озникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению

узконаправленного светового луча.

Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных,

поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходит поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инве

рсной населенностью уровней энергии.

Инверсные среды получают искусственно, разными способами, причем все они требуют затрат энергии. Самостоятельно такие среды

возникают очень редко - например, это происходит в верхних слоях марсианской атмосферы, где под действием солнечного излучения

резко увеличивается доля молекул углекислого газа, находящихся в возбужденном состоянии.

Если поместить инверсную среду в трубку с зеркалами на концах, перпендикулярными к оси трубки, то фотоны, попавшие в трубку и

направленные строго вдоль этой трубки, смогут многократно отразиться от зеркал и извлекут из среды свои многочисленные копии.

В результате пространство между зеркалами заполнится одинаковыми фотонами, мечущимися в обоих направлениях.

Если хоть одно зеркало сделать полупрозрачным, то часть фотонов уйдет наружу, непрерывно или импульсами, в зависимости от того,

как именно осуществляется инверсия. В итоге возникнет либо стабильный, либо пульсирующий поток (в случае пары полупрозрачных

зеркал - два потока, как световой меч Дарт Мола из «Звездных войн») идентичных фотонов. Подобное излучение называется когерентным.

Это и есть лазер, квантовый генератор вынужденного когерентного светового излучения.

Лазерные лучи не имеют опасного радиационного воздействия, как, например, рентгеновские, космические или гамма лучи.


Лазеры бывают нескольких типов:





Твердотельные лазеры

Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора — между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).



Твердотельные лазеры имеют большую расходимость луча и менее универсальны, чем газовые, но в импульсном режиме хорошо гравируют и режут металлы.

Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами.

Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.

Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.
























Газовые лазеры

Активная среда CО2-лазера – смесь углекислого газа CO2, гелия He и азота N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CО2-лазера - 10 мкм.






Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления.

Перед началом работы производится поджиг — молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом.

Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами — полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона построил в конце 1960 года американский физик А. Джаван.

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Особенно это влияет при обработке неровных материалов. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки.

CО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, почти любых. Не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой - ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов - 1000 и более Ватт.

В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) CО2-лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Такие лазеры, в отличие от других углекислотных лазеров, обеспечивают суперимпульсный режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000-1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.

Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.


















Другие типы лазеров

Полупроводниковый лазер излучает за счет квантовых p-n—переходов между зоной проводимости (p) и валентной зоной (n). Излучающая область лазера исключительно мала — порядка 10-11 сантиметра (длина около 1 мм, толщина порядка 2 мкм), но энергия излучения достигает 10 Вт. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs. Первый полупроводниковый лазер построил американский физик Р. Холл в 1962 году.

Пока они более дороги, но зато в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем.

Параметрический лазер работает за счет преобразования мощной световой волны одной частоты, проходящей через нелинейный кристалл, в излучение меньших частот. Кристалл помещен между зеркалами, играющими роль резонатора. Меняя расстояние между зеркалами, можно при постоянной длине волны накачки менять частоту лазерного излучения в широких пределах.









Первые параметрические лазеры были созданы в 1965 году одновременно Дж. Джодмейкером и Р. Миллером (США), С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР).

Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях, налитых в кювету. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.







Нагревающаяся в процессе работы жидкость прокачивается через холодильник. Накачка производится либо мощными лампами, либо лазерным излучением.

Лазеры на неорганических жидкостях по своим параметрам сходны с твердотельными лазерами. Первый лазер на красителях был построен в 1966 году.

Воздействие света на поверхность вызывает различные эффекты в зависимости от того, металл это или полупроводник. С помощью комбинирования этих материалов в одной наноструктуре можно достичь новых интересных свойств.Механизмы таких эффектов описывает работа, опубликованная 12-го сентября 2008 года в журнале Physical Review Letters, где описаны взаимодействия между экситонами – возбужденными электронными состояниями в полупроводниках и плазмонами, которые существуют в металлах. Понимание деталей плазмон-экситонного взаимодействия может открыть новые возможности в конструировании оптических компьютеров, плазмонных лазеров и более мощных солнечных элементов.Когда свет ударяет по поверхности металла, может возникнуть плазмонная поляризация, или, как ее называют, «поверхностный плазмон» – это перемещающаяся волна, обладающая электромагнитным полем и колебанием электрона. Ученые научились использовать этот эффект в качестве крошечной антенны для усиления поглощения света солнечными батареями. Другим применением этого эффекта могут служить аппараты, в которых электрический ток заменен на плазмонные волны, поскольку теоретически с помощью плазмонов можно передать большее количество информации, однако предварительно сжав эти эффекты до наноразмеров, которые заданы современными компьютерными чипами.Зарождающееся поле плазмонных применений ограничивается тем фактом, что плазмоны существуют лишь 10–100 фемтосекунд, после чего превращаются либо в световую волну, либо в колебание атома.Задача ученых – преодолеть недостатки этого явления. Кристоф Лино (Christoph Lienau) из Университета Ольденбурга (Германия) считает, что одним из решений проблемы может стать умножение плазмонного сигнала с помощью добавления фотонов, испускаемых в результате контакта металл-полупроводник. Световые импульсы могут возбудить электроны в полупроводнике, создав экситоны, которые затемвозвращаются в исходное состояние с испусканием фотонов. Но для создания такого «амплификатора» с участием экситонов и плазмонов необходимо знать о взаимодействии межу собой этих квазичастиц.

Ученые уже наблюдали такого рода взаимодействия, отмечая изменения оптических свойств полупроводников, объединенных с металлом в одной наноструктуре. Открытым остался вопрос о количественном переносе энергии между этими двумя материалами.Для изучения плазмон-экситонных взаимодействий, Лино и его коллеги создали гибридную наноструктуру, в которой четко контролировались плазмоны. На полупроводниковую пластину арсенида галлия толщиной в 10 нм наслаивали полоски из золота толщиной 360 нм, оставляя зазор между ними в 140 нм. Облучая инфракрасным лазером полоски и измеряя количество отраженного света, ученые рассчитали количество плазмонов, образующихся на верхней и нижней стороне золотых полосок. Далее, варьируя угол входящего лазера, ученые смогли изменять длину волны плазмонов. Когда длина плазмонной волны приближалась к резонансным характеристикам экситона в арсениде галлия (при 810 нм), наблюдалось уменьшение отраженного света – то есть плазмоны на обратной стороне золотой полоски взаимодействовали с экситонами полупроводника.

Принцип работы лазера. Инверсная населенность.

Рассматриваемый нами лазер на гранате с неодимом работает по так называемой четырехуровневой схеме. Ионы неодима, расположенные внутри кристалла граната, имеют систему энергетических уровней,. Первый уровень, называемый основным, соответствует минимально возможному значению энергии, которую могут иметь ионы. Число ионов, имеющих минимальную энергию(находящихся на основном уровне), составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана



где Npi — число ионов в единице объема, находящихся на уровне i; Wi — разность между энергией уровня i и энергией основного уровня; k=1,38∙10-23 Дж/к—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура кристалла. Обычно энергию основного уровня считают условно нулевой, тогда Wi будет просто энергией i-ro уровня. Значение kT для комнатной температуры (Г=300 К) равно 4,14∙10-21 Дж ?207 см-1. Поэтому, если Wi>kT (что выполняется для кристаллов АИГ-Nd), населенность уровней 2—4 оказывается действительно малой по сравнений с Npi Причем чем выше уровень, тем меньше на нем находится ионов неодима. Уровень 3 является метастабильным, т. е. время нахождения ионов неодима на нем существенно больше, чем на уровнях 2 и 4.Предположим, что внутри кристалла распространяется свет с частотой, равной частоте перехода между рабочими уровнями 2 и 3, т. е. (?=W3+W2/ћ). Он вызывает два процессора: вынужденного излучения ионов неодима, находящихся на уровне 3, и при этом к волне добавляется энергия излучения (усиление света), и процесс поглощения энергии волны ионами, находящимися на уровне 2 (рис. 2). В нормальном состоянии число ионов на уровне 2 больше, чем на уровне 3, и поглощение волны превалирует над усилением, т. е. свет ослабляется (рис.2,а). Если кристалл облучается светом накачки, то под его воздействием ионы неодима сначала переходят на уровни (полосы) накачки 4, а затем быстро на метастабильный уровень 3, где задерживаются. При достаточной мощности накачки скорость поступления ионов на метастабильный уровень превысит скорость ухода их с этого уровня за счет спонтанных переходов. В этом случае будет происходить накопление ионов на метастабильном уровне и через какое-то время число N3 превысит N2, т. е. в целом свет усилится.Состояние среды, когда N3>N2, называется инверсией населенности энергетических уровней. В таком состоянии среда уже способна к генерации света. Для этого ее помещают в резонатор, который в простейшем случае образован двумя параллельными зеркалами, одно из которых полностью отражает свет, а другое частично отражает и пропускает его наружу (рис. 3). В этом случае усиление света в кристалле будет превосходить поглощение.



Рис.З. Схема усиления света в лазере (p1, р2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора)

Началом генерации является спонтанное излучение ионов с метастабильного уровня, которое усиливается, проходя активную среду, и затем с помощью зеркал вновь в нее возвращается, снова усиливается и т. д. Если усиление света превосходит его суммарное ослабление за счет поглощения в среде и потерь на частичное пропускание выходного зеркала, то возникает генерация и лазер начинает излучать наружу свет. Очевидно, что мощность излучаемого света тем выше, чем выше мощность света накачки и чем меньше потери света внутри резонатора. Существует так называемая пороговая мощность накачки, при которой усиление света сравниваетсяс суммарными потерями, и при малейшем увеличении этой мощности может возникнуть генерация. Необходимо напомнить, что для того, чтобы усиление света всегда превосходило потери, нижний рабочий уровень 2 должен быстро опустошаться, т. е. его время жизни должно быть гораздо меньше, чем время жизни метастабильного уровня. В противном случае начнется накопление ионов неодима на уровне 2 и возрастет поглощение света с этого уровня наверх. Кроме того, время жизни ионов на уровнях накачки также должно быть малым. В противном случае ионы начнут накапливаться на уровнях накачки и инверсия населенности среды (а значит, и коэффициент усиления света) —начнет падать.Как уже отмечалось, в лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности (N3>N2), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности (N3>N2) требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их КПД оказывается существенно ниже.

2) Определим условия необходимые для процесса усиления света в лазере.

Если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света ?mn = (Wm - Wn)/h.

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.



Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: возбужденные атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с параметрами внешней волны, действующей на атом. Происходит как бы копирование внешней волны (рис.2в). Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 г. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем генерировать и усиливать когерентный свет.

Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить трем условиям.

  1. Необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот ?mn спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа, т.к. спектры излучения одинаковых атомов абсолютно идентичны.

  2. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне Wm, происходит также резонансное поглощение атомами, населяющими нижний уровень Wn. Атом, находящийся на нижнем уровне Wn, поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Wm.

Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света.

Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Nm было больше числа атомов на нижнем уровне Nn, между которыми происходит переход.

Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, т.к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

  1. Третья проблема, которую необходимо решить для создания лазера, – это проблема обратной связи. Для того, чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, так сказать, на "размножение", вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами одно из которых имеет коэффициент отражения около 99.8%, а второе (выходное) – около 97-98%, что может быть достигнуто только за счет применения диэлектрических покрытий. Световая волна, испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома, усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до выходного зеркала, свет частично пройдет сквозь него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного выходного зеркала, дает начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного излучения.

При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.

Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.

Другим источником потерь являются торцы трубки с активной средой. Для уменьшения потерь на границе этой трубки выходные окошки делают скошенными под углом Брюстера (рис. 4). Линейно поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер генерирует линейно поляризованный свет.



Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для создания источника когерентного света:

  • нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

  • рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

  • усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.

При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером. Слово "лазер" составлено из первых букв английской фразы:"Light amplification by stimulated emission of radiation", что означает "усиление света с помощью вынужденного излучения".

Генерация когерентного света происходит одинаково во всех лазерах, как газовых, так и твердотельных. Особенности газового лазера и отличие отдельных видов газовых лазеров друг от друга связаны с выбором рабочего газа и способом создания инверсии населенностей.

Особенности газов как материала для лазера


Энергетический спектр газа отличается от спектра твердого тела прежде всего тем, что он весьма точно соответствует разностям энергетических уровней отдельных атомов и молекул. Это свойство газов позволяет предсказать множество возможных схем энергетических переходов в различных газах.

Другая особенность газов – их высокая оптическая однородность. Плотность газа мала, поэтому свет в газе практически не рассеивается, и световой луч не искажается. Это позволяет использовать в газовых лазерах большие расстояния между зеркалами. Поэтому с помощью газового лазера легко получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

Наряду с достоинствами газ как рабочая среда для лазера обладает и недостатком: плотность газа значительно ниже плотности твердых тел, и поэтому в единице объема газа нельзя получить такое большое количество возбужденных атомов, излучающих свет, как в твердом теле. В результате этого даже большие размеры газовых лазеров пока не дают возможности получить те высокие импульсные мощности, которые дают лазеры на твердом теле.

Одна из особенностей газов состоит в многообразии различных физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей. Такими процессами являются неупругие соударения атомов разного "сорта", диссоциации молекул при соударении их в электрическом разряде, возбуждение атомов электронным ударом, светом и т.д.

Чаще всего инверсия населенностей создается в процессе электрического разряда. Эти лазеры называются газоразрядными.

Газоразрядные лазеры


В них инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударении со свободными быстрыми электронами, образующимися в электрическом разряде.

Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходят недостаточно интенсивно.

При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот, слишком частыми. Из-за этого электроны не успевают достаточно ускориться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых волн ?. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, ионов и молекул. На рисунке 5 показана схема энергетических уровней, характерная для газа. Самыое большое значение энергии Wi в атоме соответствует его ионизации (в атомарном газе) или энергии диссоциации молекулы (в молекулярном газе). А – область уровней, между которыми происходят лазерные переходы. Уровни, лежащие выше серии А, обычно образуют плотную систему, которая в своей верхней части соответствует почти непрерывному спектру. Если атом попадает на один из этих верхних уровней, то он очень быстро "скатывается" по тесно расположенным уровням до верхних уровней серии А, на которых он может некоторое время "задержаться". Именно большое время жизни атома на верхних уровнях серии А, служащих верхними уровнями рабочих лазерных переходов, и позволяет создать инверсию населенностей в газе. Напротив, на нижних уровнях серии А, например W3, в большинстве газов атомы долго не задерживаются, покидают их достаточно быстро. Это дополнительно способствует достижению инверсии населенностей между верхними и нижними уровнями серии А.

Однако, существует фактор, нарушающий эту идиллию. В спектрах многих газов (в частности инертных) под нижними короткоживущими уровнями серии А (под уровнем W3) расположен метастабильный уровень W2, на котором атом может находиться сравнительно долго и населенность которого поэтому велика. Наличие долгоживущего метастабильного уровня W2 препятствует образованию инверсии населенностей, т.к. часть атомов, находящихся на уровне W2, легко переходит на уровень W3. Уровень W2 является как бы "резервуаром", питающим уровень W3 и не дающим ему опустошиться.

Что же делать?

Это осложнение можно обойти, добиваясь инверсии населенностей за счет более интенсивного заселения верхних уровней W4 и W5, а также за счет "разгрузки" уровня W2. Последнее происходит, например, при столкновении атомов, находящихся в состоянии W2, со стенками газоразрядной трубки, что приводит, в свою очередь, к уменьшению населенности уровня W3.

Рассмотрим более подробно (рис. 6) способ осуществления инверсии населенностей на примере гелий-неонового лазера.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня W1 на долгоживущие возбужденные уровни W5 и W4. Инверсия населенностей создается большей заселенностью W5 и W4 по сравнению с короткоживущим уровнем W3. Однако в чистом неоне созданию инверсии населенностей мешает метастабильный уровень W2.

Эта трудность была преодолена введением в неон 15% примеси гелия. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней W2 и W3 атомов гелия почти точно совпадают с энергиями уровней W4 и W5 атомов неона. Поэтому атомы гелия вместо быстрого перехода в основное состояние за счет спонтанного излучения часто передают при столкновениях избыток своей энергии атомам неона. Небольшое различие энергий уровней (~0.05 эВ) восполняется кинетической энергией движущихся атомов. Такая передача энергии называется резонансным возбуждением. В результате такого столкновения атом гелия переходит в основное состояние W1, а атом неона – в возбужденное метастабильное состояние W4 или W5. Таким образом, при соударении атомов гелия, возбужденных в разряде на уровни W2 и W3, с атомами неона в основном состоянии происходит дополнительное заселение уровней W4 и W5 атомов неона. Гелий в гелий-неоновом лазере служит резервуаром возбуждений, резонансным образом передаваемых от гелия к неону.

Если правильно подобрать парциальные давления гелия (~1 мм. рт.ст.) и неона (~0.1 мм. рт.ст.) в смеси, то можно добиться заселенности одного или обоих уровней W4 и W5 атомов неона, значительно превышающей населенность этих уровней в чистом неоне, и получить инверсию населенностей между уровнями W4, W5 и W3.

Интересно, что опустошение нижнего короткоживущего уровня W3 неона в гелий-неоновом лазере происходит под влиянием соударений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Эти соударения по-разному влияют на населенность различных уровней. Они практически не изменяют населенности уровней W4, W5 и непосредственно W3, т.к. время жизни атома на этих уровнях недостаточно велико, чтобы атомы, находящиеся в этих состояниях, могли "добраться" до стенки. Эти уровни разрушаются гораздо раньше. В то же время атомы на уровне W2 живут долго и добираются до стенок. Соударения со стенками разгружают уровень W2, в результате чего атомы неона переходят с уровня W3 на более низкий W2, т.е. уровень W3 опустошается быстрее, чем при заселенном W2.

Для того, чтобы соударения атомов неона со стенками эффективно опустошали уровень W3, необходимо подобрать оптимальный диаметр трубки лазера. Эксперимент показал, что максимальная мощность гелий-неонового лазера достигается при диаметре трубки 6 - 7 мм. При больших диаметрах трубки мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа. Падение мощности обусловлено тем, что эффективно опустошаются уровни для тех атомов, которые находятся вблизи стенок, а атомы, находящиеся в центре трубки, практически выключаются из процесса генерации.

Многомодовые и одномодовые лазеры


В действительности, уровни W3, W4 и W5 неона представляют собой полосы из большого числа тесно расположенных уровней. В спектрометре с небольшим разрешением мы видим одну линию (1 на рис.7), тогда как на самом деле она представляет собой целый набор линий с очень близкими частотами.

Ширина спектральной линии атома Ne определяет область частот, в которой может иметь место генерация света при инверсии населенностей соответствующего перехода. Оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал (резонатор Фабри-Перо), вырезает из этой относительно широкой спектральной линии гораздо более узкие линии (2, 3, 4), соответствующие собственным частотам резонатора. Если усиление в Ne достаточно велико, то генерация может возникнуть на большом числе собственных частот (мод) резонатора, для которых усиление превышает потери света в газе и зеркалах (рассеяние и поглощение). Например, при уровне потерь ?1 могут генерировать три моды, при ?2 – одна центральная. Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление больше потерь в резонаторе. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одномодовом режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рис. 7) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы усиливалась только одна мода. Так как линии генерации в основном определяются собственными частотами оптического резонатора, стабильность газового лазера будет определяться стбильностью резонатора, т.е. неподвижностью зеркал. Для регулировки положения зеркал испоьзуют явления магнитострикции стержней или пьезокерамические пластины на зеркалах.

Длина лазеров на смеси гелий-неона обычно порядка 1 – 2 м, что позволяет получить высокую направленность лазерного луча (реально получена расходимость ~ 1-2?). Кроме очень высокой направленности, гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Несмотря на малую выходную мощность (10 – 100 мВт), гелий-неоновый лазер – один из самых распространенных.





















Список используемой литературы :

  1. 13.Тарасов Л.В.  “Знакомьтесь - лазеры”  Радио и связь 1993 г

  2. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.

  3. http://teachmen.csu.ru/work/Laser_lec/

  4. http://nanoNews net.ru

  5. http://metalform.ru

  6. http://Bankreferatov.ru


Содержание:

  1. Введение………………………………………………………………………стр. 1

  2. Условия необходимые для осуществления процесса усиления света в лазере………………………………………………………………………….стр. 11

  3. Литература…………………………………………………………………….стр.24

  4. Содержание……………………………………………………………………стр.25




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации