ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Разнообразие лазеров. Рубиновый лазер. Гелий-неоновый лазер. СОглазер с замкнутым объемом. Проточный СОг-лазер. Т-лазер. Газо динамические лазеры. Лазеры нй красителях Задачи из "Оптика " Обсуждаются условия усиления светового потока при прохождении через среду. [c.309] Закон Бургера. Экспоненш1альная зависимость (51.8) плотности потока от расстояния называется законом Бургера. В состоянии термодинамического равновесия концентрации атомов описываются распределением Больцмана. Из неравенства Ег Ео следует N1 N0 и поэтому а 0. Это означает, что плотность потока по мере прохождения света в среде уменьшается. Механизм уменьшения плотности состоит в следующем. В результате вынужденных переходов атомов с нижнего энергетического уровня на верхний плотность энергии потока уменьшается. При переходе атомов с верхнего уровня на нижний лишь часть квантов возвращается в поток, а именно кванты, испущенные в результате вынужденных переходов. Кванты, испущенные спонтанно, в поток не возвращаются, что и является причиной уменьшения его плотности. [c.310] Условия усиления. Если привести систему атомов в неравновесное состояние и тем самым достаточно сильно нарушить распределение Больцмана, то можно Добиться изменения концентрации атомов на различных уровнях так, чтобы было N1N0 или даже N1 Мо- В первом случае а О и пучок через среду распространялся бы без поглощения, а во втором случае а О и пучок при прохождении усиливался бы, т. е. среда действовала бы как усилитель светового потока. [c.310] Это позволяет создавать генераторы и усилители волн, основанные на индуцированном излучении, которые для светового диапазона называются лазерами, а для микроволнового — мазерами. За фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей нового типа — мазеров и лазеров, советским ученым А. М. Прохорову (р. 1916 г.) и Н. Г. Басову (р. 1922 г.) и американскому ученому Ч. X. Таунсу (р. 1915 г.) в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия. Идея о возможности использования индуцированного излучешш для усиления светового потока была высказана в 1940 г. советским физиком В. А. Фабрикантом (р. 1907 г.). [c.310] Из (51.14) видно, что с увеличением плотности потока 5 заселенность верхнего уровня увеличивается. Это приводит к соответствующему изменению коэффициента. [c.311] Таким образом, световой поток выравнивает заселенность двух уровней, между которыми он обусловливает вынужденные переходы, а при достаточно большой плотности потока может даже почти сравнять их заселенность, но он не может создать инверсную заселенность между этими уровнями. [c.311] Создание инверсной заселенности. Инверсной заселенности энергетических уровней можно добиться с помощью некоторого воздействия на атомы, независимого от усиливаемого света. [c.311] Наиболее простой путь создания инверсной заселенности осуществляется в трехуровневых системах (рис. 275). На рис. 215, а изображено распределение заселенностей в равновесном состоянии системы. При воздействии на систему излучением больщой мощности с частотой (о = (Ег — Eo)/fi заселенности уровней Ео и Ег при выполнении условия (51.17) практически фавниваются. Допустим, что время жизни атомов-на уровне Ег очень мало и они спонтанно переходят на уровень Е , время жизни на котором у них достаточно велико. Ясно, что атомы на уровне Е будут накапливаться, в результате чего создается инверсная заселенность между уровнями Е и Eq (рис. 275, б) Этот переход может быть использован для усиления света с частотой со = ( , — Eq) / h. [c.311] Рассматриваются принципы и характеристики работы лазеров. [c.312] Принципиальная схема лазера. Среда с инверсной заселенностью, способная усиливать проходящий через нее световой поток, называется активной. Заполним пространство между пластинами интерферометра Фабри — Перо активной средой (рис. 276). Между последовательными отражениями от зеркал при прохождении через активную среду световой поток усиливается. Эта система образует активный оптический резонатор. Усиление потока при прохождении через активную среду происходит в соответствии с формулой (51.8). При отражении от зеркал излучение частично ослабляется. Одно из зеркал делается с максимально возможным коэффициентом отражения, а через другое зеркало свет в определенной пропорции выходит из системы, образуя ее излучение, которое называется лазерным. Кроме потерь света при отражении от зеркал имеются потери за счет рассеяния в среде и других дифракционных эффектов. Для работы системы в качестве генератора света необходимо обеспечить определенный баланс между усилением светового потока при прохождении через активную среду и ослаблением за счет всех факторов, включая само лазерное излучение. [c.312] Генерация лазерного излучения начинается лишь тогда, когда передаваемая в резонаторе за цикл энергия от активной среды в световой поток начинает превосходить суммарные потери светового потока в резонаторе, включая энергию, уносимую лазерным излучением. Количественно начало генерации лазерного излучения характеризуется условием порога генерации. [c.312] Каков физический смысл порога генерации и условия стационарной генерации. [c.313] Непрерывные и импульсные лазеры. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой. Накачка лазеров может быть самой разнообразной и будет рассмотрена в связи с конкретными типами лазеров. По характеру зависимости накачки от времени она может быть непрерывной и импульсной. Если накачка осуществляется импульсами, то и излучение лазера импульсное. После начала импульса накачки начинает изменяться заселенность уровней. Когда достигаются условия порога генерации (52.4), начинается испускание лазерного излучения (рис. 211). [c.314] При непрерывной накачке, которая постоянно обеспечивает соблюдение условия (52.5), излучение лазера непрерывно. Следует, однако, отметить, что при непрерывной накачке возмо- жен также импульсный режим излучения, так же как возможно излучение нескольких импульсов излучения при одном импульсе накачки. [c.314] Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока в резонаторе лазера за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса. [c.314] Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инберсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности. [c.314] Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы (рис. 278). При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту, хотя длительность каждого импульса составляет 10 —10 с. [c.314] Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуля цией добротности с помощью ячейки Керра (см. 45). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. [c.314] Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности. [c.314] Описываются свойства лазерного излучения. [c.315] Вернуться к основной статье