Применение лазера
В скобках у наименования красителя указаны типичная мощность накачки излучением Аг+-лазера, необходимая для получения приведенных кривых перестройки и область спектра излучения. Использование различных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавную перестройку рабочей частоты в широком диапазоне, охватывающем почти всю видимую область спектра (рис. 3). Из рисунка видно, что применение родамина 6G характерно для многих систем; это связано с его высоким КПД преобразования (примерно 20%) и широким спектральным диапазоном перестройки. Максимальная выходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя и качества юстировки оптического резонатора. Некоторые добавки, такие, как циклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя и увеличивать мощность излучения.
Лазеры на парах металлов. На рис. 2 представлена общая схема участвующих в генерации энергетических уровней лазеров этого типа [11 - 14]. Переход g—>2 является разрешённым, а переход g—>1 электродипольно запрещён. Таким образом, пользуясь борцовским приближением, можно предположить, что сечение перехода g—>2 за счёт электронного удара значительно больше, чем сечение перехода g—>1. Чтобы создать достаточную населённость верхнего лазерного уровня, высокая, как правило, скорость излучательного перехода 2—>g должна быть уменьшена до значения, сравнимого со скоростью излучательного перехода 2—>1. Это означает, что плотность атомов должна быть достаточно высокой, чтобы стал возможным захват излучения на переходе 2—>g. Поскольку переход 1—>g является запрещённым, лазер может работать только в импульсном режиме с длительностью импульса порядка или короче времени жизни уровня 2. Релаксация обычно происходит при столкновениях со стенками и вследствии межатомной дезактивации. Соответствующая скорость релаксации устанавливает верхний предел частоты повторения импульсов лазера.
Рис.2 . Общая схема энергетических уровней и излучательных (прямая стрелка) и безизлучательных (волнистая стрелка) переходов лазера на парах металла, работающего в режиме самоограничения, заштрихованной стрелкой обозначен электронный удар. На рис.3 показаны участвующие в процессе генерации уровни энергии двух наиболее важных лазеров указанной категории - лазеры на парах меди и золота. С точки зрения электронной конфигурации уровни Cu и Au весьма схожи. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен только атом меди. Основное состояние 2S1/2 атома меди соответствует конфигурации 3d104s. Когда внешний 4s электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, заселяются возбуждённые уровни 2P1/2 и 2P3/2. Эти уровни сильно связаны с основным состоянием дипольно разрешённым переходом. Уровни 2D3/2 и 2D5/2 соответвуют конфигурации Зd94s2, имеющей более низкую энергию, а переходы 2D—>2S1/2 дипольно запрещены. Атомы меди из состояния 2р быстро (время жизни порядка 7нс) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние 2S1/2, в то время как время релаксации уровней 2D намного больше (около 0,5мкс), поскольку этот переход разрешён слабо. Однако при температурах, которые используются в медном (Т = 1500°С) и золотом (Т = 1650°С, т.к. золото является менее тягучим веществом) лазерах, давление паров достаточно высокое( ~ 0,1 мм.рт.ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу 2p—> 2S1/2 не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние 2D. Релаксация населённости уровня 2D осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик (<2см). Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение е + Cu(2D)—>e + Cu(2s1/2). В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд). Отсюда следует, что генерация на парах меди может осуществляться как на переходе 2P3/2—> 2D5/2 (зелёный), так и на 2P1/2—>2D3/2 (жёлтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе (2P1/2—>2D3/2) поскольку УФ - переход (2P3/2—> 2D5/2) оканчивается на состоянии 2D5/2, которое при рабочей температуре в значительной степени заселено.
Полупроводниковый лазер. Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10-6—10-2см3). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 104 см-1 (см. Усиления оптического показатель), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм. Люминесценция в полупроводниках. При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%. Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла — состояние с инверсией населённостей. Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1, а); при этом длина волны l » hc/DE, где h — Планка постоянная, с — скорость света. Инверсия населённостей в полупроводниках. Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu. Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если 
и 
— квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n — частота излучения) выражается формулой:
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18