В чем заключаются принципы инверсного заселения, двухуровневые и много уровневые системы, спектр вынужденного излучения.
Пороговое значение плотности инверсной заселенности, по достижении которого начинается процесс генерации (будем обозначать его как 
), определяется из физически очевидного условия
Используя первое уравнение (3.2.34), получаем
и, следовательно,
Поскольку, как уже отмечалось, 
то в соответствии с (3.2.41) можно записать
Пороговое значение плотности инверсной заселенности обратно пропорционально добротности резонатора.
С учетом (3.2.17) и (3.2.36) выражение (3.2.41) для порогового значения плотности инверсной заселенности может быть записано также в следующем виде:
Для реализации генерации необходимо, чтобы пороговое значение плотности инверсной заселенности не превышало значения 
для данной мощности накачки. Это означает, что условие генерации (условие самовозбуждения) может быть представлено в виде
или с учетом (3.2.43)
Заметим, что условие (3.2.45) уже встречалось ранее; мы имеем в виду использовавшееся в § 2.1 условие (2.1.10):
(это есть условие превышения начального коэффициента усиления 
над уровнем потерь, определяемым суммой коэффициентов вредных и полезных потерь). Неравенство (3.2.45) согласуется с (2.1.10), если в соответствии с (2.1.2) представить начальный коэффициент усиления 
в виде
Для трехуровневого лазера условие генерации (3.2.45) может быть записано с учетом (3.2.38) в виде неравенства
или, иначе,
Отсюда находим пороговое значение для вероятности дон (характеризующее пороговую мощность накачки):
|
|
|
Используя (3.2.39), запишем условие генерации (3.2.45) применительно к четырехуровневому лазеру:
или, иначе,
Пороговое значение для вероятности 
имеет в данном случае вид
Каковы принципы работы лазеров и методы накачки?
Принцип работы лазера
Лазер обязательно имеет три основных компонента: § активную среду, в которой осуществляется инверсное заселение; § систему накачки; § оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избира- тельно направленный пучок фотонов и формирующее выходящий световой пу- чок). Рассмотрим принцип действия первого твердотельного рубинового лазера Меймана. Рабочим телом был цилиндр (диаметром 1 см и длиной 5 см) из розово- го рубина (см. рис. 3). Это оксид алюминия Al2O3, в котором около 0,05% атомов алюминия замещены атомами хрома. Ионы хрома имеют 3 рабочих энергетиче- ских уровня (рис. 2). Они служат активным веществом. Рубиновый стержень об- лучаетсязелѐным светом мощ- ной импульсной газоразрядной лампы накачки (смесь неона и криптона). Ионы хрома поглощают энергию этого света и перехо- дят на 3-й энергетический уро- вень. Время жизни на этом уровне ~ 10-8 с. Ионы переходят на уровень 2, при этом избыток энергии Е3 Е2 передаѐтся кристаллической решѐтке (безизлуча- тельный переход). Уровень 2 называют метастабильным уровнем, т.к. переход с него на 1-й запрещѐн правилом отбора. Время жизни иона на 2-м уровне в 100000 раз больше, чем на 3-м уровне. Получается инверсная (перевѐрнутая) заселѐнность уровней, когда на более высоком уровне (2) находится больше ионов, чем на 1-м. Обычно в основном состоянии, на 1-м уровне, больше ионов и поглощение преобладает над излучением. При инверсной заселѐнности излучение будет преобладать над по- глощением. Правило отбора резко снижает вероятность перехода ионов на 1-й уровень, но, тем не менее, она не равна нулю. Пусть один из ионов спонтанно (случайно) переходит с уровня 2 на уровень 1. При этом излучается фотон h = E2 E1. Проходя возле возбуждѐнного иона, находящемся на 2-м уровне, он стиму- лирует его переход в основное состояние. При этом излучается ещѐ один фотон, точно такой же и в том же направлении. Такой переход и излучение называют вынужденным, или индуцированным (о чем мы уже знаем). Дальше движутся уже два фотона, имеющие одинаковую частоту, фазу и поляризацию. Встречая на пути возбуждѐнные ионы на метастабильном уровне, они вызывают излучение ещѐ 2-х фотонов и т.д. Нарастает лавина с увеличением пути пройденного фото- ном в веществе. Это лавина вынужденного излучения лазера. Она возникла благодаря тому, что на 2-м уровне оказалось много возбуждѐнных ионов хрома. Создана инверс- наянаселѐнность уровней. Это значит, что на более высоком уровне (2) более вы- сокая заселенность, чем на 1-м уровне.
|
|
|
|
|
|
Методы накачки лазеров :
Газовые лазерыобычно представляют собой стеклянную трубку, заполненную специальным газом или смесью газов. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения. Для возбуждения рабочей среды таких лазеров используются те же приемы что и для поджига обычных газоразрядных ламп:
1. Создание электрического разряда между электродами, введенными в трубку.
2. Возбуждение разряда в газе высокочастотными токами: индукционный и емкостный метод.
3. Возбуждение разряда в газе облучением СВЧ электромагнитным полем.
Полупроводниковый лазер —полупроводниковый прибор, непосредственно в структуре которого возникает лазерное излучение под действием электрического тока. Для этого класса лазеров накачка электрическим током является основным методом.
|
|
|
Лазеры с использованием энергии химической реакции — это разновидность газовых лазеров, через рабочую зону которых непрерывно прокачивают газообразные реагенты. При химической реакции между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии, переходящие в основное состояние с испусканием фотона. Газовые лазеры могут давать большие мощности излучения при относительно компактных размерах. Одна из проблем газовых лазеров — плохая экологичность вследствие обильного токсичного выхлопа.
Энергия ядерного взрыва является наиболее экзотическим способом накачки лазеров. Любое вещество в эпицентре взрыва превращается в плазму, которая, остывая, вновь образует атомы, но уже возбужденные. Если из исходного вещества предварительно изготовить длинный стержень, то в нём в направлении вдоль оси могут сформироваться условия для возникновения вынужденного излучения, генерируемого в результате перехода атомов в основное состояние. Очевидно, что подобный лазер импульсный и одноразовый. Огромная энергетика предопределяет рентгеновский диапазон излучения.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 285; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!