Взаимодействие света с веществом. Усиление света с помощью трехуровневой и четырехуровневой системы.

Прохождение света через среду приводит к ослаблению интенсивности светового потока в соответствии с законом Бугера

, (24.16)

где α — линейный коэффициент поглощения света веществом; I_l – интенсивность света, вышедшего из слоя вещества толщиной l.

В классической линейной оптике всегда α > 0 и, следовательно, всегда наблюдается поглощение света.

Зависимость I от толщины слоя х при α > 0, согласно формуле (24.16), приведена на рис. 24.2. Там же дана аналогичная зависимость при α = 0 и α <0. Из этой зависимости вытекает весьма любопытный факт: для

α < 0 при прохождении светового потока через среду происходило бы его усиление, т. е. поглощение было бы отрицательным.

Рис.24.2.

В каждом состоянии атом обладает определенной энергией и при оптических переходах между ними излучается или поглощается строго монохроматический свет. В действительности это не так. Энергетические уровни атомов не являются линиями (рис. 24.3), а обладают шириной ΔE₁ и ΔE₂. В этом случае, согласно условию частот Бора, излучение атома при переходе из одного состояния в другое происходит не при одной частоте, а в некоторой области частот Δv, определяемой шириной энергетических уровней, между которыми осуществляются переходы.

Рис.24.3

Чтобы имело место отрицательное поглощение, число атомов в возбужденном состоянии должно быть больше, чем соответствующее число в основном состоянии, т.е. должно иметь место инверсное распределение атомов по энергетическим состояниям. Среда с такой инверсной заселенностью называется активной.

Для двухуровневой системы нельзя получить инверсную заселенность, следовательно нужно использовать 3 или более энергетических уровней активной среды.

Чтобы получить инверсную заселенность между уровнями Е₁ и Е₂, состояние Е₂ должно быть более долгоживущим по сравнению с состоянием Е₃, т. е. должны выполняться следующие условия:

. (24.25)

Рис. 24.4

Следовательно, среднее время жизни атома в состоянии Е₂ должно быть гораздо больше, чем в состоянии Е₃, т.е.

, (24.26)

где времена жизни τ₃₁ и τ₃₂ на практике− величины порядка 10^-6 с, в то время как τ₂₁ ≈ 10^-3 с.

Можно получить инверсную населенность между уровнями Е₂ и Е₃, используя четырехуровневую схему (рис. 24.4,б).

Состояние Е₃ должно быть более долгоживущим по сравнению с состоянием Е₄. Тогда состояние Е₃ будет являться метастабильным. Если на такую среду направить излучение достаточной мощности с частотой v = (Е₄ — E₁)/h, то с течением времени концентрация атомов п₃ на уровне 3 станет больше, чем концентрация атомов п₂ на уровне 2.

Устройство лазера. Принцип действия лазера.

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптического резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов. Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки.

В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением и излучением других лазеров. Работает в импульсивном режиме. В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, химические и т.д).

Оптический резонатор представляет собой систему из двух зеркал 1 и 2. В простейшем случае это обращенные друг к другу параллельные (или вогнутые) зеркала на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда. Строго направленный световой пучок когерентных фотонов – лазерное излучение. Усиление излучения при одном проходе между зеркалами должно превосходить пороговое значение, т.е. потери энергии из-за излучения, вышедшего через зеркало 2, за один проход. Чем больше пропускание этого зеркала, тем больше должно быть пороговое усиление активной среды. Для эффективного усиления света надо увеличить путь света в активной среде.

Для получения усиления, вышедшие из резонатора электромагнитные волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции результирующая амплитуда стала максимальной. Это условие, очевидно, удовлетворяется в том случае, если любая волна, вернувшаяся в исходную точку на поверхности выходного зеркала, а также в любую точку активной среды, будет находиться в той же фазе, что и первичная волна независимо от числа испытанных ею отражений.

Для этого оптическая длина пути, проходимого волной между двумя возвращениями, должна удовлетворять условию:

∆= ,

где т = 1, 2, 3, ... Поскольку оптическая разность хода и разность фаз связаны между собой соотношением , то разность фаз можно переписать в виде:

т. е. каждая из волн запаздывает по отношению к предыдущей на фазу, равную 2π, другими словами, все выходящие из генератора волны находятся в одной и той же фазе, что обеспечивает в результате взаимной интерференции максимальную амплитуду выходящих волн. Резонатор также позволяет получить высоко параллельное и очень близкое к монохроматическому излучение.

Прин цип действия лазера. Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер, созданный Т. Мейманом.

В качестве активной среды использовался рубин, в некоторых узлах решетки которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома. Кристалл рубина имеет розовый цвет. В зависимости от концентрации ионов хрома цвет рубина меняется от светло-розового (при 0,03% содержания ионов хрома) до темно-розового (при 0,5% содержания ионов хрома).

Изготовленный из такого рубина цилиндр располагается между зеркалами 1 и 2 резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным, чтобы не происходило рассеяние излучения. В качестве источника возбуждения используется лампа накачки, имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг цилиндра.

Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго перпендикулярно оси кристалла.

При интенсивном облучении рубина светом лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня на уровни широкой полосы 3. Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше10^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3®1, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на метастабильный уровень 2 с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2®1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2атомов хрома порядка 10^-3с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно возникший при спонтанных переходах, в принципе может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно излученные фотоны распространяются в разных направлениях и в конечном итоге выходят из активной среды. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать.

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, т.е. лазерного излучения с высокими когерентными свойствами. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе (10⁶–10⁹) Вт.

Одним из наиболее распространенных лазеров является газовый лазер на смеси гелия и неона.

Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 416; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 16 17 181920 21 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!