Рефераты по Физике

Применение лазера

Страница 2

На этой установке добились генерации 18 сентября 1961 года (через 5 месяцев после публикации Меймана 1961 г.). Подробное описание лазера было дано в закрытом отчете ФИАН в декабре 1961 года. После исследования когерентных свойств излучения нашего лазера опубликовали статью в ЖЭТФ, т. 43, № 7, за 1962 г. Эта была первая публикация в Советском Союзе по эксперименту с оптическим генератором. Продолжая эту работу, мы опубликовали также заметку о пичковом режиме рубинового лазера в «Оптике и спектроскопии», т. 14 № 2, за 1963 г. (авторы — Галанин, Леонтович, Свириденков, Сморчков, Чижикова). В этой и следующей работе, которые были доложены на 3-й международной конференции по квантовой электронике, проходившей в Париже в феврале 1963 года, советскими учёными было показано, что режим пульсаций и когерентность излучения взаимно связаны. Фотографировали также и «модные картинки», т.е. распределение интенсивности излучения в поперечном сечении при генерации одного типа колебаний — моды. Оно хорошо укладывалось в теоретическое распределение, если считать, что резонатор аналогичен резонатору со сферическими зеркалами. Эта «сферичность» возникала как из-за начальных оптических неоднородностей образцов рубина, так и из-за термо-оптических искажений, вызванных светом накачки. На первых этапах работы много внимания было отдано качеству рубиновых образцов (как оптического, так и в отношении примесей), к которому предъявляются высокие требования. В ФИАНе не было соответствующей аппаратуры для изготовления рубина и мы получали его из 2-х мест — из Института кристаллографии и из «почтового ящика», который снабжал до этого мазерные работы, и пробовались и те, и другие. Причем рубины как раз из Института кристаллографии не заработали. А загенерировали образцы из почтового ящика. Тогда был какой-то предрассудок насчет формы образцов — все первые рубины были в форме параллелепипедов, и американские, и наши. Это, по-видимому, было наследие от мазерной эры. Может быть также, сыграла свою роль и одна работа Прохорова, в которой обсуждался вопрос о резонаторе для оптических генераторов, и в ней резонаторы другой формы не рассматривались. А потом было понято, что это не играет роли, что важна только параллельность торцов этих кристаллов, на которые тогда и наносились зеркала. Потом появились образцы цилиндричесой формы, и также, когда стали применять внешние зеркала — с брюстеровскими торцами. В конце концов оказалось, что хаос в пульсациях не имеет отношения к проблеме странного аттрактора, а обусловлен тепловыми нестабильностями термических и оптико-механических свойств при нагревании той же лампой, что осуществляет и оптическую накачку.

Принцип работы и устройство лазера

Как уже отмечалось, генерация в лазере достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

Возможные переходы в двухуровневой системе

Рис. 1. Возможные переходы в двухуровневой системе. Вероятности: Wc - спонтанного излучения, R - безизлучательной релаксации, W12 - поглощения, W21 - индуцированного излучения. n2 и n1 - плотности населенностей, $\tau_2$и $\tau_1$- времена жизни уровней. F2 и F1 - скорости накачки (число частиц, поставляемых в единицу времени и в единицу объема) на уровни 2 и 1.

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии ($\tau_2$ и $\tau_1$на рис. 1) Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной [Советская энциклопедия, 1969]. Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид $W_{12} = B_{21} \rho S(\nu), W_{21} = B_{12} \rho S(\nu)$ и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B21 и B12), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии $\rho$и совпадения частоты поля $\nu$с центральной частотой перехода $\nu_0$, что учитывается специальной функцией $S(\nu)$. При одинаковой степени вырождения уровней B21 = B12 , W21 = W12 [Советская энциклопедия, 1969]. При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W21n2 было больше числа переходов вверх W12n1, необходимо, чтобы n2 > n1: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем. Среда, для которой выполняется условие n2 > n1, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n2 > n1 является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера. Ясно, что при термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, поскольку, согласно закону Больцмана, $n_2 = n_1e^{-\frac{E_2 - E_1}{kT}},$ и на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия. Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки). Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения $F_2\tau_2 > F_1\tau_1,$ то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего. Заселение уровней в лазерах может осуществляться [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]: - за счет поглощения света (оптическая накачка). Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях. - в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе. - за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней. - в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным. - за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров. Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях. Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. При коэффициенте усиления на единицу длины $\alpha$и длине среды l поданный на ее вход сигнал интенсивностью I1 будет усилен (при отсутствии насыщения) до значения $I_2 = I_1 e^{\alpha l}$на выходе; то есть таким образом может быть реализован оптический усилитель когерентного сигнала с коэффициентом усиления по мощности $G = e^{\alpha l}$ Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 2). Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур. Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами $L = \lambda$(L - характерный размер резонатора, $\lambda$- длина волны) просто не может быть изготовлен, а при $L \gg \lambda$закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются [Советская энциклопедия, 1969]. Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при $L \gg \lambda$.

Принципиальная схема лазера

Рис. 2. Принципиальная схема лазера.

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18