ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Глава U Основы расчета лазеров из "Применение ЭВМ при разработке лазеров " Лазеры представляют собой устройства, в которых осуществляется преобразование подводимой извне энергии путем взаимодействия с активной средой в энергию монохроматического когерентного и направленного излучения. Активной средой является вещество, находящееся в том или другом агрегатном состоянии. Любое вещество состоит из элементарных частиц (атомов) или группы определенным образом объединенных атомов (молекул). [c.7] Согласно квантовой теории, каждый атом или молекула могут обладать различными, но вполне определенными значениями энергии, т. е. находиться в том или другОхМ энергетическом состоянии. Таким образом, их внутренняя энергия квантована, и диаграмма состояний атома представляется рядом вполне определенных дискретных энергетических уровней (рис. 1.1). [c.7] Если атом находится в верхнем энергетическом состоянии, то вероятность перехода его в состояние с меньшим значением энергии имеет две составляющие. Первая зависит от свойств атома и не зависит от внешних факторов вторая линейно зависит от плотности энергии излучения, соответствующей частоте перехода. Первая составляющая определяет спонтанное излучение, вторая —- вынужденное (индуцированное) излучение. Вероятности спонтанного и вынужденного излучений определяются коэффициентами Эйнштейна А и В. [c.8] Коэффициент спонтанного перехода А и определяет вероятность спонтанного перехода изолированного атома в единицу времени с уровня i на уровень /. Коэффициенты вынужденного излучения Bij и поглощения В л определяют вероятность соответствующих переходов в единицу времени при воздействии на атом потока энергии со спектральной плотностью, равной единице. [c.8] Между уровнями i и j помихмо спонтанных и вынужденных переходов, сопровождаемых излучением или поглощением фотонов, возможны также и безызлучательные переходы, определяемые вероятностями djj и djt, когда энергия перехода передается или получается атомом без излучения. [c.9] Чем меньше вероятность спонтанного перехода с одного уровня на другой, т. е. чем больше время жизни по отношению к данному переходу, тем уже интервал значений АЕ и тем меньше размыт данный уровень (рис. 1.2), а следовательно, соответствующая спектральная линия тоже будет уже. [c.10] Ширина спектральной линии может изменяться при процессах, ограничивающих время жизни возбужденного состояния и модулирующих случайным образом энергетические состояния. К таким процессам относятся различные виды соударений (например, соударение излучающего атома в газе с нейтральными атомами, ионами и электронами, со стенками сосуда), а также взаимодействие излучающего атома с кристаллической решеткой в твердом теле. Все эти процессы сокращают время жизни на данном энергетическом уровне и приводят к расширению спектральной линии. [c.11] Однако и в этом случае форма спектральной линии определяется выражением типа (1.15), получившим название Лорен-товой формы. [c.11] С другой стороны, форма спектральной линии может быть обусловлена распределением излучающих частиц по скоростям их поступательного движения. В газе при достаточно низком давлении форма линии будет определяться эффектом Доплера, возникающим вследствие теплового движения атомов. В этом случае форма спектральной линии является Гауссовой, т. е. [c.11] Доплеровский и Лоренцов контуры спектральных линий значительно различаются по своей форме (рис. 1.3). [c.11] Здесь I — длина пути а = N — Ni) Gtj — коэффициент поглощения, где Oij — эффективное сечение взаимодёйствия с атомом. [c.12] При наличии инверсии Ni Nj коэффициент а имеет отрицательное значение и среда работает как усиливающая. Степень усиления определяется произведением а/, следовательно, получение значительного усиления на небольшом пути возможно только при очень больших значениях коэффициента а, т. е. при достижении весьма высокой инверсии. [c.12] Однако, если ансамбль поместить в резонатор, то излучение в резонаторе претерпит весьма большое число отражений. В резонаторе, настроенном на частоту колебаний атомов или молекул, которые находятся в нем, будет происходить интенсивное индуцированное излучение. Если энергия излучения будет больше потерь в резонаторе, то станет возможным усиление поступающего излучения. В тех случаях, когда индуцированное излучение окажется достаточным для преодоления потерь не только в резонаторе, но и в различных элементах, окажется возможным также и генерирование электромагнитных волн. [c.12] Наиболее распространенным резонатором в оптических квантовых генераторах является резонатор, состоящий из двух отражающих поверхностей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Простейшим видом такого резонатора является резонатор, состоящий из двух параллельно расположенных плоских зеркал, т. е. представляющий собой интерферометр Фабри— Перо. Однако резонатор в лазере может быть образован также и двумя сферическими зеркалами. Часто применяются резонаторы, состоящие из нескольких отражающих поверхностей. Если система зеркал обеспечивает циркуляцию по замкнутому контуру, то такой резонатор получил название кольцевого . При рассмотрении электромагнитного поля внутри какого-либо резонатора, в первом приближении определяется поле внутри пустого, незаполненного активной средой резонатора, т. е. пассивного резонатора. [c.12] Расчет резонаторов, заполненных активной средой, является значительно более сложной задачей, так как аналитическое решение проблемы связано с большими трудностями, и основные результаты в этом направлении дает численный расчет методом последовательных приближений. [c.12] Для длин волн, соответствующих g видимой, а также и инфракрасной частям спектра, значения q оказы- ваются очень большими и соседние типы колебаний располагаются чрез-вычайно близко друг к другу. [c.13] Отсюда следует, что одной и той же длине волны соответствует ряд типов колебаний, различающихся между собой углом 0. Весьма важным параметром резонатора является его добротность, которая определяется потерями в резонаторе, при этом следует учитывать потери на зеркалах, дифракционные потери и частичное прохождение излучения сквозь зеркала. [c.13] Более быстрое включение добротности может быть осуществлено при помощи электрооптических затворов, основанных на эффектах Керра и Покельса. Большое распространение в качестве затворов получили также насыщающиеся фильтры, прозрачность которых возрастает о увеличением интенсивности света, проходящего через них (пассивные затворы). [c.14] Лазеры с модуляцией добротности позволяют получать боль-щие мощности в импульсах, длительность которых 10 с (нано-секундные импульсы) однако лазеры могут работать также и в режиме синхронизации мод и генерировать при этом импульсы, длительность которых 10 . .. 10 с (пикосекундные импульсы). [c.14] Вернуться к основной статье