Оптическая накачка поглощения

Инверсная заселенность создается между уровнями Е и Е2 методом оптической накачки. Важно, чтобы основная масса энергии, излучаемой источником накачки, попадала в полосы поглощения активного вещества и эффективно использовалась для создания инверсной заселенности в системе рабочих уровней. Как уже упоминалось, для накачки активного вещества применяют импульсные газоразрядные ксеноновые лампы, коэффициент полезного действия которой около 50 % [c.286]

Структура уровней хрома в рубине приведена на рис. 8. В рубине при оптической накачке происходит поглощение зеленого и голубого цветов в довольно широкой полосе частот (уровни 3 и 4) и последующий переход возбужденных ионов в более низкое энер- [c.22]

Существуют разные способы получения необходимой для работы лазера усиливающей излучение активной среды. Преобладание процессов вынужденного излучения над поглощением осуществляется при инверсии населенностей (Л 2>Л 1) рабочих уровней энергии 61 и 62 (см. 9.3). В импульсных твердотельных лазерах используется оптическая накачка светом мощной газоразрядной лампы-вспышки. В полупроводниковых лазерах непрерывного действия неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через р-и-переход. В газовых лазерах атомы или ионы рабочего вещества возбуждаются в условиях электрического разряда. Во всех случаях затраченная на это энергия внешнего источника в конечном свете частично преобразуется в энергию когерентного излучения. [c.445]

Если же в результате поглощения света вспышки и последующих безызлучательных переходов на уровне ег накопится более половины всех ионов, то между уровнями е1 и ег возникает инверсия населенностей N2>N ). Такой механизм ее образования называют оптической накачкой. Если рубиновый стержень помещен во внешний оптический резонатор или имеет посеребренные плоскопараллельные торцы, в нем возникает короткий импульс лазерной генерации на длине волны 694,3 нм. Лазерный импульс имеет сложную временную структуру и состоит из нерегулярной последовательности отдельных импульсов длительностью около 1 мкс. Из-за малой длительности импульса (порядка 1 мс) мощность рубинового лазера в импульсе достигает нескольких киловатт при сравнительно небольшой энергии (несколько джоулей). [c.452]

Метод оптической накачки для газовых лазеров менее эффективен, чем для твердотельных. Во-первых, это связано с тем, что ширина полос поглощения у газов при рабочих давлениях в лазере определяется главным образом (Ян 300 нм) доплеровским уширением и поэтому полосы весьма узки, в отличие от широких полос в твердотельных лазерах. Поэтому попасть в резонанс труднее. Во-вторых, этим методом можно возбуждать только уровни, имеющие четность, противоположную четности основного состояния, поскольку для эффективного оптического возбуждения необходимо, чтобы между основным и возбужденным состояниями был разрешен дипольный переход. Лазерный переход также является дипольно разрешенным, поэтому нижний уровень рабочего (лазерного) перехода должен быстро обедняться за счет безызлучательных переходов в основное состояние. Такая ситуация редко реализуется в газах. И третье неудобство заключается в том, что, как правило, резонансные линии большинства газов находятся в вакуумном ультрафиолете, а в этой области, как известно, практически отсутствуют материа- [c.101]

Усиление в лазере зависит от накачки. В лазерах с оптической накачкой, вследствие поглощения света накачки при прохождении его в веществе, поверхностные области в активном элементе получают фотонов больше, чем внутренние. В газовых разрядах (в которых накачка в конечно.м счете осуществляется электронами) электронная плотность и температура изменяются по поперечному сечению трубки, становясь вследствие потерь на стенках обычно выше в центре и ниже на периферии. Так как накачка, вообще говоря, пе однородна по поперечному сечению активного элемента, то усиление тоже не является однородным. [c.329]

Поглощение свети оптическая накачка.) При использовании излучения накачки со специально подобранным спектром частот можно обеспечить высокую селективность оптического возбуждения за счет преимущественного заселения верхнего рабочего уровня Р > Рх. [c.12]

Для оптической накачки характерна возможность осуществления исключительно высокой селективности возбуждения. Излучение накачки со специально подобранным спектром частот позволяет возбуждать определенную группу уровней или даже отдельный уровень. При когерентной накачке можно накачивать энергию в конкретную линию в спектре поглощения активного центра. Для усиления избирательности возбуждения при некогерентной накачке можно использовать также тот факт, что оптическая накачка осуществляется только на оптически разрешенных переходах. Итак, при оптическом возбуждении возможны наиболее благоприятные условия выполнения неравенства [c.22]

Наконец, специфика оптической накачки проявляется и в том, что она всегда инициирует в канале возбуждения (на переходе между основным уровнем и уровнем возбуждения) обратный процесс, имеющий примерно такую же вероятность, что и прямой процесс, связанный с поглощением излучения. Отнесенная к единице времени вероятность поглощения излучения накачки [c.22]

Что же касается обычной некогерентной (широкополосной) оптической накачки, то она в случае газовых лазеров должна представляться, очевидно, крайне малоэффективной. Вследствие узости линий поглощения частиц газа лишь ничтожная доля световой мощности источника накачки будет в данном случае использоваться для возбуждения активных центров основная же часть падающей на активную среду световой мощности будет бесполезно расходоваться на нагревание газа и окружающих предметов. Именно поэтому широкополосная оптическая накачка в случае газо- [c.41]

Сильное намагничение можно возбудить излучением рубинового лазера с круговой поляризацией при поглощении его в другом рубине. В этом случае происходит перераспределение населенностей зеемановских уровней ионов Сг +, что в значительной мере аналогично оптической накачке в газах. [c.224]

Газовые лазеры. Ширина энергетических уровней в газах довольно мала (порядка нескольких гигагерц и меньше), поскольку в них по сравнению с твердым телом более слабо действуют механизмы, вызывающие уширение линий. Поэтому оптическая накачка с помощью ламп, применяемых для твердотельных лазеров, неэффективна для газовых лазеров, так как в активной газовой среде нет широких полос поглощения. [c.288]

Оптическая накачка для газовых активных сред эффективна, если источник накачки достаточно моноэнер-гетичен, поскольку резонансные линии поглощения газов узки. Обычно используются лазерные источники накачки. [c.895]

К. м. с оптической накачкой лишён этих недостатков. В нём поляризация вещества достигается воздействием на иарамагн. атомы светового излучения определ. частоты. Реальная система зеемановских уровней парамагн. атомов (К, ВЬ, s), применяемых в К. м., сложна. Однако принцип оптич. накачки может быть проиллюстрирован на npo Tennreii двухуровнево схеме. Свет накачки должен быть таким, чтобы вероятности его поглощения существенно различались для разных подуровней. В атом случае под действием света накачки примерное равенство населённостей этих подуровней нарушится и в ансамбле атомов возникнет макроскопич. электронный магн. момент — система станет поляризованной (см. Оптическая накачка, Оптическая ориентация атомов). [c.332]

При оптической накачке рабочее тело подвергается воздействию потока света, излучаемого импульсной или непрерывнодействующей газоразрядной лампой. Свет лампы поглощается системой возбуждения полос или уровней активных частиц рабочего тела, а затем эта энергия возбуждения передается путем безызлучательных переходов на верхний лазерный уровень. Существенным недостатком оптического метода возбуждения является несоответствие спектра излучения источника и спектра поглощения активного элемента, что приводит к снижению эффективности преобразования световой энергии в энергию возбуждения среды. Оптическая накачка широко используется для возбуждения лазеров, использующих в качестве рабочих тел конденсированные среды. [c.33]

В основе действия квантовых усилителей и генераторов лежит так называемое отрицательное поглощение. Сущность его заключается в том, что на поглощающую систему, содержащую некоторое количество возбужденных атомов, падает квант, соответствующий по значению кванту, который должен излучиться при переходе возбужденных атомов в нормальное состояние, и тогда из системы в одном направлении выйдут два кванта. Вместо того, чтобы поглотиться, падающий квант вынуждает излучиться второй квант, совпадающий с ним по частоте и направлению движения, т. е. создает вынужденное или индуцированное излучение. При этом испускаемая, т. е. генерируемая, световая волна оказывается точно в фазе с волной, которая была причиной ее возникновения. Вещество, содержащее большое количество атомов в возбужденном состоянии — активное вещество , — получается подачей электромагнитной энергии на длине волны, отличающейся от длины волны вынужденного излучения. Этот активизирующий процесс называется оптической накачкой. Таким образом, атомы переводятся в возбужденное состояние оптической нак -жой. Чтобы вынужденное излучение преобладало над поглоихетием, большинство атомов должно находиться в возбужденном состоянии. Активная среда помещается в резонатор, представляющий собой систему, подобную эталону Фабри и Перо. [c.69]

В гл. 1 мы показали, что процесс, который переводит атомы с уровня 1 на уровень 3 (для трехуровневого лазера см. рис. 1.4, а) или с уровня О на уровень 3 (для четырехуровневого лазера см. рис. 1.4,6), называется накачкой. Накачка осуществляется, как правило, одним из следующих двух способов оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных (например, для рубинового или неодимового) или жидкостных (например, на красителе) лазеров. Механизмы ушире-ния линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно мы имеем дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Следовательно, эти полосы поглощают заметную долю (обычно широкополосного) света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что у них спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы для накачки дают широкополосное излучение, осуществить оптическую накачку довольно трудно. Замечательным исключением, которое следует отметить, является цезиевый лазер с оптической накачкой, когда пары s возбуждаются лампой, содержащей Не при низком давлении. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку интенсивная линия излучения Не с 390 нм (достаточно узкая благодаря низкому давлению) совпадает с линиями поглощения s. Фактически этот лазер представляет интерес лишь в историческом плане, как одна из первых предложенных лазерных схем. Кроме того, его реализация на практике является весьма сложной, поскольку пары s, которые для обеспечения достаточного давления газа необходимо поддерживать при температуре 175 °С, представляют собой весьма агрессивную среду. Оптическую накачку весьма эффективно можно было бы использовать для полупроводнико- [c.108]

Чтобы закончить эти вводные замечания, следует упомянуть о специальном виде оптической накачки, когда лазерный луч используется для накачки другого лазера лазерная накачка). Свойства направленности лазерного пучка делают его очень удобным для накачки другого лазера, причем здесь не требуется специальных осветителей, как в случае (некогерентной) оптической накачки. Такая накачка является довольно простой, и в дальнейшем мы ее не будем рассматривать. Хотелось бы лишь здесь отметить, что благодаря монохроматичности излучения лазера накачки ее применение не ограничивается лишь твердотельными и жидкостными лазерами (как в случае некогерентной оптической накачки), но ее можно также использовать для накачки газовых лазеров. В данном случае линия, излучаемая накачивающим лазером, должна, разумеется, совпадать с линией поглощения накачиваемого лазера. Это применяется, например, для накачки большинства газовых лазеров дальнего ИК-Диапазона (скажем, таких лазеров, в которых используются метиловый спирт СНзОН в виде паров) с помощью излучения соответствующей длины волны СОглазера. [c.109]

Вообще говоря, энергетические уровни в газах уширены довольно слабо (ширина порядка нескольких гигагерц и меньше), поскольку действующие в газах механизмы уширения слабее, чем в твердых телах. Действительно, в газах, находящихся при обычных для лазеров давлениях (несколько мм рт. ст.), столк-новительное уширение очень мало и ширина линий определяется главным образом доплеровским уширением. В связи с этим в газовых лазерах не используется, как в твердотельных лазерах, оптическая накачка с помощью ламп. В самом деле, такая накачка была бы крайне неэффективна, поскольку спектр излучения этих ламп является более или менее непрерывным, в то время как в активной газовой среде нет широких полос поглощения. Как уже упоминалось в гл. 3, единственный случай, когда генерация была получена в газе при оптической накачке такого типа, — это цезий, возбуждаемый линейной лампой, заполненной гелием. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку некоторые линии излучения Не совпадают с линиями поглощения s. Однако цезиевый лазер [c.343]

Пример совсем другого рода являют собой газодинамические и другие непрерьюные лазеры с движущейся средой. Понятие локальной эффективности здесь вообще не может существовать среда, подчас возбужденная заранее, пролетает через пучок генерируемого излучения, и число прореагировавших с пучком атомов может быть рассчитано только исходя из знания распределения излучения в целом. Если среда движется поперек оси резонатора, невозможно также рассчитать заранее (как в приведенном выше примере) плотность излучения на оси системы, поскольку инверсная населенность на оси зависит не от этой плотности, а от всей предыстории долетевшей сюда среды, в частности от плотности поля на всем пути ее следования. Сходные закономерности имеют место и при оптической накачке в тех случаях, когда коэффициент ее поглощения в среде существенно зависит от плотности излучения генерации. [c.198]

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен (обычно используются лазерные источники). При электроннолучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии. Основное преимущество электронного пучка связано с его высокой проникающей способностью, что позволяет вводить значительную энергию в активную среду с большим давлением. Электронный пучок в газовых лазерах может выполнять различные функции. Чаще всего его используют для создания объемнооднородных газовых разрядов. Однако пучок электронов можно использовать и непосредственно для создания инверсной заселенности в газовых системах. Поскольку основная часть энергии, теряемой быстрыми электронами в газе, расходуется на ионизацию атомных частиц, то наиболее эффективные механизмы преобразования энергии пучка в энергию возбу- [c.42]

Необходимо определить (г) — поле оптической накачки (распределение излучения СОз-лазера), которое (согласно теореме взаимности Гельмгольца) является полем в ближней волновой зоне по отношению к формирующему устройству. Пространственное распределение поля накачки /Уд (О будет определяться через коэффициент поглощения х (г) на длине волны При этом будем считать, что в активной среде ГЛОН осуществляется линейный режим поглощения (насыщения поглощения нет), хотя это не принципиально. Тогда распределение (Ун (О и соответственно X (г) можно определить анализируя развитие поля в резонаторе ГЛОН, заполненного активной средой, которая поглотила излучение накачки. В качестве основной математической [c.170]

Интересным также представляется использование для записи оптической информации двухфотонного поглощения [102, 103]. Идея этого нового метода заключается в том, что необходимый для записи в сегнетоэлек-трических кристаллах перенос заряда в зону проводимости возможен лишь при одновременном действии излучений с двумя разными длинами волн, в то время как воздействие каждого из этих излучений в отдельности к такому переносу не приводит. Этот эффект в некотором смысле аналогичен оптической накачке в оптических квантовых генераторах. [c.168]

Вместо рассмотренной в предыдущем разделе синхронизации мод при модуляции внутренних потерь или оптической длины резонатора синхронизация мод может осуществляться путем модуляции усиления. Для этого в резонатор лазера вводится накачка в виде непрерывной последовательности импульсов, генерируемых другим лазером с синхронизацией мод (см. рис. 5.8). Если длина резонатора лазера достаточно близка к длине резонатора лазера накачки или кратна ей, то при определенных условиях усиление оказывается модулированным с периодом, равным времени полного прохода резонатора. Как и при модуляции потерь, короткий импульс в этом случае формируется за промежуток времени, соответствующий максимальному усилению. Длительность этого импульса при оптимальных условиях может быть на два-три порядка короче длительности импульса накачки. Наибольший практический интерес представляет применение метода синхронной накачки в лазерах на красителях, так как в лазерах этого типа используется преимущественно оптическая накачка, а их линии усиления весьма широки (величина А(0з2/2л лежит в пределах от 10 до 10 Гц). Лазеры на красителях допускают в определенном диапазоне плавную перестройку частоты в области максимума спектра излучения. Это достигается введением в резонатор частотно-селек-тивного оптического фильтра, в качестве которого могут быть использованы, например, эталон Фабри—Перо, фильтр Лио или призма. Ширина спектра пропускания этих фильтров, однако, не должна быть слишком мала, так как ее сужение может вызвать существенное увеличение длительности импульсов. По указанным причинам значение лазеров на красителях с синхронной накачкой в технике генерации пикосекундных и субпи-косекундных импульсов в последние годы все больше возрастает. По сравнению с лазерами на красителях с пассивной синхронизацией мод, которым посвящена следующая глава, синхронно накачиваемые лазеры имеют следующее преимущество для перестройки частоты их излучения может быть использована полная спектральная ширина лазерного перехода, тогда как при пассивной синхронизации полоса перестройки дополнительно ограничивается спектром линии поглощения насыщающегося поглотителя. [c.150]

Схема энергетических уровней рубина показана на рис, 286. При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при про-хожденш через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не вьщержи-вает непрерьшного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Сг" , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сг" очень быстро в результате безызлучательного перехода переходяг на уровни Е, Е (рис. 286). При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фононов. Уровни Е и Е метастабильны. Время жизни на уровне Е равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е и Е накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Ео. [c.322]

Неодимовое стекло по целому ряду своих сюйств является высокосовершенной активной средой. Для него характерны широкие, удобно расположенные для оптической накачки полосы поглощения, высокий квантовый выход люминесценции, исключительно высокая оптическая однородность и прозрачность, возможность изготовления активных элементов практически любых размеров и форм. Неодимовое стекло не имеет себе равных по возможности управления (путем варьирования состава матрицы) многими важными для лазеров свойствами — люминесцентными, термооптическими, нелинейными. [c.7]

Рубин. Холодильный прибор, использующий в качестве механизма охлаждения антистоксовую флуоресценцию, во многом аналогичен лазеру, запущенном в обратном режиме мощное когерентное строго направленное излучение вносится в активную среду, которая переизлучает почти изотропно и на более высокой частоте широкополосный свет. Многие исследователи именно с этих позиций подходили к выбору перспективной среды для охлаждения. В частности, всего спустя год после наблюдения непрерывной лазерной генерации в рубине [86] уже была высказана возможность оптического охлаждения в районе температур ниже 100 К [48]. Процесс охлаждения предлагалось осуществить по следующей схеме оптическая накачка возбуждает ионы трёхвалентного хрома, находящиеся в основном электронном состоянии и переводит их на нижний уровень — расщепления отсюда при установлении теплового равновесия происходит переход на уровень вверх, с поглощением фонона энергии 29см последующие спонтанные оптические переходы из этих состояний в основное, известные как К и Я2 линии, приведёт к отводу тепла из кристалла. Подробный расчёт этой схемы приведён в посвящённом рубину разделе параграфа 2.4. Но на 1963 год не было подробной информации о процессах, которые препятствовали оптическому охлаждению в рубине. В результате этого невозможно было оценить величину вклада в нагрев процессов многофононной релаксации, процессов релаксации пар (троек, четвёрок) ионов Сг+ , зависимости от времени установления ион-решёточного равновесия, от перепоглощения флуоресцентного излучения. [c.55]

Специфические свойства оптической накачки. Оптическая накачка предполагает юзбуждение активных центров при поглощении активной средой излучения от некоторого специального источника света. Метод оптической накачки широко применяется в различных типах твердотельных и жидкостных лазеров он используется также в газовых лазерах. [c.21]

Для повышения эффективности оптической накачки стараются использовать в качестве уровня возбуждения достаточно ишрокую энергетическую полосу или группу уровней и обеспечить при этом соответствие частоты перехода (частот переходов) в канале возбуждения максимуму в спектре излучения лампы накачки. Применяют также жтод сенсибилизации, заключающийся в добавлении в матрицу наряду с основными (генерирующими) ионами ионов другого типа — ионов-сенсибилизаторов. Ионы-сенсибилизаторы достаточно эффективно поглощают излучение накачки и затем передают поглощенную энергию ионам-активаторам ). Другой метод повышения эф ктивности твердотельных лазеров предполагает использование в качестве кристалла-матрицы не простых соединений, а смешанных разупорядоченных систем (твердых растворов), что приводит к существенному уширению спектра поглощения [20]. [c.27]

Оптическая накачка полупроводниковым лазером или светодиодом. В настоящее время развивается метод узкополосной оптической накачки лазера ИАГ Кс1 +. В качестве источника накачки применяют инжекционный лазер на СаА5 или светодиод из Са1 хА11 А5. В первом случае накачка осуществляется на длине волны 0,8 8 мкм (накачка в группу В линий в спектре поглощения на рис. 1.17, а) во втором случае — на длине волны 0,81 мкм (накачка в группу Б линий того же спектра). [c.33]

Оптическая накачка переводит молекулу из электронного состояния 5о в электронное состояние 51. Возбужденная молекула быстро (за время порядка 10 с) безызлучатель-но релаксирует на нижний колебательный уровень состояния 51, отдавая избыток энергии растворителю. Далее молекула может совершить либо излучательный переход 51 5о (лазерный переход), либо один из следующих трех переходов, конкурирующих с лазерным переход 51- 52, связанный с дополнительным поглощением излучения накачки безызлучательный переход 51->- 5о внутренняя конверсия), безызлучательный. переход синглет-три-плетная конверсия). Синглет-триплетная конверсия может приводить затем к дополнительному поглощению излучения накачки на переходе триплет-триплетное поглощение). Наряду с последним переходом возможны также безызлучательный и излучательный переходы 5о. [c.38]

Эффективность оптической накачки в случае твердотельных и жидкостных лазеров связана прежде всего с относительно большой шириной линий поглош ения твердых и жидких аетивных сред — порядка 0,1 мкм >. Газовые активные среды характеризуются существенно более узкими линиями поглош ения — шириной 10 мкм и менее. Для осущест вления оптического возбуждения в газе необходимо, чтобы излучение накачки обладало линейчатым спектром с достаточно узкими линиями и чтобы максимум хотя бы одной интенсивной линии источника накачки точно совпадал с максимумом одной из линий поглощения активного центра. [c.41]

Возможность широкополосной оптической накачки в газах фотодиссоционные лазеры. Исключением из правила являются газовые среды, oдepжa- щие молекулы, которые диссоциируют под действием излучения. Дело в том, что связанный с фотодиссоциацией спектр поглощения молекул в газе имеет непрерывный характер и по ширине обычно не уступает спектрам поглощения твердых и жидких активных сред. Обратимся в этой связи к рис. 1.24. [c.42]

Непрерывный характер и относительно большая ширина спектра поглощения фотодиссоциирующих молекул позволяют использовать широкополосную оптическую накачку для инициирования реакций фотодиссоциации [c.42]

В этом методе активные частицы накачиваются из своего основного состояния в возбужденное при поглощении света. Наиболее подходящий накачивающий свет может меняться от материала к материалу, но импульсная ксеноновая лампа, испускающая белый свет, широко используется для оптической накачки импульсных лазеров. С другой стороны, в лазерах непрерывного действия применялись многочисленные накачивающие источники, такие как лампы накаливания с вольфрамовой нитью, ксеноновые или ртутные дуговые лампы. Все жидкости, изучавшиеся нашей группой в Лабораториях компании Дженерал Телефон энд Электронике , накачивались оптически обычным импульсным ксено-новым источником. [c.46]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...