Принципи генерації електромагнітних коливань

(лазери)

Лазер[27] - це генератор електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, принцип дії якого заснований на використанні вимушених переходів між енергетичними рівнями. Збуджений атом із стану з енергію  може перейти в стан з енергією  мимовільно (спонтанні переходи) і під дією електромагнітного випромінювання (індуковані або вимушені переходи)

Вимушені переходи відбувається з тією ж частотою w, що і спонтанні переходи. Частота, фаза та напрямок розповсюджування електромагнітних хвиль, що генеруються при вимушених переходах, збігаються з частотою, фазою та напрямком розповсюджування випромінювання, яке стимулює вимушені переходи. Тому один фотон, що викликає вимушений перехід, утворює два тотожних фотона і так далі. Внаслідок цього виникає когерентне вимушене випромінювання. Ця його особливість використовується в лазерах - джерелах (генераторах) когерентного випромінювання ІЧ, видимого, УФ та рентгенівського діапазонах спектра та мазерах - генераторах когерентного випромінювання радіодіапазона довжин хвиль.

За допомогою системи з інверсною заселеністю рівнів, яка створюється накачкою за рахунок енергії зовнішнього джерела енергії, можна, згідно (13.25), створити підсилювач світла. При цьому коефіцієнт лінійного ослаблення світла змінює знак і стає меншим нуля , що збільшує інтенсивність світла .Таким чином для того, щоб мати підсилювач необхідно забезпечити:

* активне середовище - середовище, в якому створюється інверсія заселеності рівнів;

* джерело накачки, за допомогою енергії якого збуджується робоче тіло до стану інверсії заселеності рівнів;

* Щоб перетворити підсилювач на генератор електромагнітного випромінювання необхідно забезпечити

* систему зворотного зв’язку, за допомогою якої підсилювач перетворюється на генератор електромагнітних хвиль.

Накачка здійснюється різними способами: зовнішнім допоміжним джерелом світла - спеціальними лампами накачки, електронними потоками - електронна накачка, електричним газовим розрядом, який утворюється і підтримується зовнішнім джерелом живлення, хімічними реакціями, джерелами теплової енергії, тощо.

Робоче тіло повинно мати зручні для накачки електронні енергетичні рівні. Вони бажано повинні бути метастабільними, що збільшує ймовірність вимушених переходів по відношенню до спонтанних переходів та достатньо великий середній час життя у збудженому стані , що призводить до зменшення напівширини спектральної лінії , яка випромінюється.

Оптичний зворотний зв’язок здебільшого здійснюється за допомогою еталона Фабрі-Перо - відкритого резонатора з великою добротністю. Він не тільки здійснює зворотний зв’язок, але й виконує ще такі додаткові функції:

- збільшує оптичний шлях розповсюджування світла в робочому тілі,

- здійснює колімацію світлового променя,

- забезпечує монохроматизацію світла.

Розглянемо при яких умовах можлива генерація.

Припустимо, що активне середовище, в якому створена інверсія населеностей, знаходиться між двома дзеркалами з коефіцієнтами відбиття R₁ і R₂, які разом складають резонатор лазера. Розглянемо резонатор цілком заповнений активним середовищем. Нехай у точці А в якийсь момент часу інтенсивність випромінювання, що поширюється від дзеркала  до дзеркала , дорівнює  (рис.13.7). При поширенні в активному середовищі випромінювання підсилюється і поблизу поверхні дзеркала , його інтенсивність становить . Після відбиття від дзеркала  інтенсивність зміниться і буде рівна . Знов випромінювання підсилюється, поширюючись в напрямку до дзеркала _, і відбившись від дзеркала _, попадає в точку А. Його інтенсивність у точці А після повного обходу резонатора дорівнює

.

Щоб пристрій працював як генератор, інтенсивність променів при повному обході резонатора повинна зростати, тобто  або . Порогову умову генерації знаходимо з умови

                                            (13.65)

Для одержання стійкої генерації необхідно, щоб коефіцієнт підсилення був більше всіх коефіцієнтів втрат: корисних втрат на випромінювання, втрат на розсіювання, відбивання на торцях активного середовища, тощо

,                                   (13.66)

де - коефіцієнт додаткових втрат.

Умову для порогової інверсії можна знайти, підставивши у (13.66) вираз для   з формули (13.26):

Для лазерного випромінювання характерні мала розбіжність пучка при виході із резонатора та висока ступінь монохроматичності світла.

Дійсно, світлові промені, що не паралельні осі резонатора, виходять за його межі, як це показано на рис. 13.7. Виникає колімація підсиленого світлового променя поскільки найбільшу кількість проходів у активному середовищі, а отже і максимальне підсилення мають моди, що поширюються вздовж оптичної осі резонатора. “Розходження променів” (ступінь колімації) визначається дифракцією світла. Кут розходження a порядка кута дифракційного розширення: , де  - довжина світлової хвилі, а  - діаметр апертури світлового променя, що поширююється в резонаторі. Якщо  то  радіана, тобто на відстані в 1 км промінь світла буде розбігається в коло діаметром в 0,1м. Це призводить до того, що на Місяці можна мати світлову пляму діаметром 3 км.

Монохроматичність світла здійснюється за допомогою резонатора з дуже високою добротністю, здатного пропускати промені з надзвичайно малим розкидом довжин хвиль. При багатомодовій генерації лазера монохроматичність лазерного випромінювання залежить від кількості одночасно генеруючих мод. Наприклад, ширина смуги випромінювання атомами неону в гелій-неоновому лазері становить 1500-1600 МГц. Відстань між найближчими повздовжніми модами резонатора  при довжині  дорівнює 150 МГц. Кількість генеруючих мод буде порядка 10, при максимальній добротності резонатора. Якщо лазер генерує в одночастотному режимі то спектральна ширина лазерної лінії може бути менша природної ширини лінії люмінесценції неона. Відомо,що роздільна здатність резонатора (інтерферометра Фабрі-Перо) становить: , де - коефіцієнт відбивання дзеркал, -порядок інтерференції. Таким чином, чим більше проходів здійснює світло в резонаторі, тобто чим більше m або ефективна довжина резонатора, тим менший утворюється розкид довжин хвиль .

Принцип дії генераторів когерентного світла або лазерів був запропонованийО.М. Прохоровим, М.Г. Басовим та Ч. Таунсом в 1957 році, за що в 1964 році вони отримали Нобелівську премю. Зараз існує багато типів різних лазерів (рис.13.8). Ми обмежимося коротким розглядом двох типів: рубінового твердотільного лазера і газорозрядного гелій - неонового.

Рубіновий лазер

Рубіновий лазер – це квантовий оптичний генератор світла в якому робочим тілом є кристал рубіна – оксид алюмінія, в якому 0,05% іонів алюмінію замінено на іони хрому  Домішки іонів хрому створюють активні центри, які зумовлюють оптичні властивості рубіна у видимому діапазоні (рожевий колір, інтенсивність якого залежить від концентрації іонів хрому). Нейтральний атом хрому в основному стані має електронну конфігурацію . Трьохкратно іонізований атом хрому має електронну конфігурацію  тобто, на зовнішній  оболонці залишається три еквівалентних електрона. За правилом Гунда основним термом вільного іона  являється терм  В кристалічній матриці оксиду алюмінію іони хрому знаходяться в статичному електричному полі. Під впливом електричного поля рівень  розщеплюється на три рівня ,  (Штарк–ефект). Крім того рівень  виявляється подвійним (тонка структура 0,38 см^-1), а рівні ,  перетворюються в зони. Крім квартетних рівнів для іонів хрома є ще дублетні рівні, нижнім з них є ²Ρ, який за рахунок спін орбітальної взаємодії розщеплюється на два підрівня, відстань між якими становить 29 см^-1 На рис. 13.9 наведено спрощену схему енергетичних рівнів іона хрому в рубіні, які являються основними для роботи рубінового лазера.

Розглянемо принцип роботи рубінового лазера.

Рис.13.9. Схема енергетичних рівнів рубіна.

Іони хрому в рубіні збуджуються потужною ксеноновою лампою накачки. Випромінювання лампи поглинається в двох широких смугах ( ), з центрами при  та , що відповідають переходам електронів з основного стану  в , та . З збуджених рівнів  електрони переходять на , а з  можуть перейти радіаційно в основний стан і безвипромінювання на рівні ,  (радіаційний перехід  – ,  заборонений правилами відбору ). Ймовірність безвипромінювального переходу на два порядка вище, ніж радіаційного,тому електрони, в основному, із рівня будуть переходити на рівні  та , які являються метастабільними до переходу в основний стан . За рахунок цього оптична накачка призводить до накопичення великої кількості електронів на рівнях  та _, При достатньо сильній накачці це дає можливість створити інверсію населеності на переходах  та – . Під дією вимушеного випромінювання електрони практично миттєво можуть перейти в основний стан. Середовище стає активним і здатним підсилювати світло з довжинами хвиль 0,6943 мкм та 0,6929 мкм. Якщо в такій системі створити зворотний зв’язок за допомогою еталона Фабрі-Перо, то такий підсилювач світла перетворюється на генератор когерентного світла – лазер. Лазерне випромінювання в рубіні можна отримувати на двох лініях, але практично всі генератори працюють на лінії 0,6943 мкм, так як для неї простіше створити порогову інверсію. Потужність простого рубінового лазера може досягати 10⁶ Вт з 1 см² торця, причому розбіжність пучка не перевищує 0,5⁰ (для порівняння приведемо дані для Сонця. В спектральному діапазоні 5000 ± 0,1 А^◦ потужність сонячного випромінювання становить 10^-1Вт.) Рубіновий лазер- це трьохрівневий оптичний квантовий генератор. Нижній робочий рівень рубінового лазера співпадає з основним рівнем іонів хрому, який повністю заселений. Тому для того, щоб створити інверсію між рівнями  та  необхідна велика потужність лампи накачки. За рахунок безвипромінювальних переходів частина випромінювання перетворюється в теплову енергію в результаті чого кристал рубіна нагрівається. Ці недоліки не дозволяють отримати неперервний режим генерації лазерного випромінювання для рубінового лазера.

Гелій-неоновий лазер

Гелій-неоновий лазер є типовим прикладом лазера на нейтральних атомах. Історично це перший газовий лазер, який розроблений в 1961 році Джаваном, Беннетом і Ерріотом.

Потужність серійних лазерів – 0,1…100 мВт. Ці лазери широко застосовується для юстування оптичних схем, в інтерферометричних вимірювальних системах, далекомірах, поляриметрах, стандартах частоти, гіроскопах, голографії, медичних приладах.

У гелій-неоновому лазеріактивним середовищем є газова суміш  і  з середнім тиском  і співвідношенням складових . Гелій використовується як буферний газ, який істотно спрощує створення інверсії населеності на рівнях неона. На рис. 13.10 зображено схему термів неону і гелію. Для гелію справедливий  зв’язок. Основним термом гелію являється _, нижніми збудженими рівнями та  Оптичні переходи між основним рівнем і цими збудженими рівнями заборонені за правиламивідбору ,  тому рівні  та  являються метастабільними (час життя на цих рівнях порядка 10^-3 с). Для атома неона нехарактерний  зв’язок, але поскільки кількість термів не залежить від типу зв’язку, то можна використати  зв’язок для підрахунку кількості термів для різних електронних конфігурацій атома неону. Розрахунки зведені в табл. 13.1 і результати цієї таблиці представнені на рис. 13.10. Як видно з рис. 13.10 метастабільні рівні  та  гелія енергетично близькі до рівнів атома неона  та . Цей факт являється суттєвим для створення інверсії на цих рівнях. В якості накачки в гелій-неоновому лазері використовується електричний розряд, поскільки оптична накачка малоефективна. 

За рахунок електронних ударів у газовій суміші Не і Nе збуджуються як атоми гелію так і неону. Поскільки концентрація атомів гелію в газовій суміші значно більше ніж неону, то і збуджених атомів гелію буде більше ніж неону. Збуджені атоми Не* довго знаходяться в метастабільних станах  і . При зіткнені атомів гелію, що знаходяться в збудженому стані, з атомами неона, що знаходяться в основному стані, можлива резонансна передача енергії збудження атомам неона. Цей процес відбувається за схемою:

Таблиця 13.1. Енергетичні рівні неону

Електронна конфігурація	кількість рівнів
	1
	4
	4
	4
	10
	10

Отже рівні неона  та  заселяються не тільки за рахунок електронних ударів, а переважно за рахунок зіткненя атомів неона з збудженими атомами гелію. Нижні рівні неону  та  мають велику імовірність радіаційних переходів і тому малий час життя. Все це сприяє створенню інверсійної населеності між парами рівнів  та. Довжини хвиль випромінювання на цих переходах відповідають діапазонам 2800–4000 нм, 590–730 нм, 1100–1500 нм. В першу чергу генерація розвивається на лініях 3390 нм (3,39 мкм), 1150 нм (1,15 мкм), 632,8 нм (0,6328 мкм). Для лазерної лінії 632,8 нм як показують теоретичні підрахунки та експериментальні виміри, коефіцієнт підсилення найменший [7]. Тому для генерації лазера на цій лінії потрібно використовувати високовідбиваючі діелектричні дзеркала в резонаторі та брюстерівські вікна в газорозрядній трубці.

е Рис.13.10. Схема термів Не і Ne у суміші робочого тіла Не- Ne лазера. Час життя Ne* в s-смугах більший, ніж в р-смугах Більш детальну схему дивись в додатку «Демонстрації до підручника» Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 655; Мы поможем в написании вашей работы! Поделиться с друзьями: ⇐ Предыдущая40414243444546474849Следующая ⇒ Мы поможем в написании ваших работ! . . © 2014-2024 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.028)