Лазеры
ние. При этом от светового
пучка отнимается энергия
h(=E2–E1
равная разности энергий между уровнями 2 и 1. На рисунке 1, а схематически
представлены невозбуждённый атом и электромагнитная волна в виде отрезка
синусоиды. Электрон находится на нижнем уровне. На рисунке 1, б изображён
возбуждённый атом, поглотивший энергию. Возбуждённый атом может отдать свою
энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом
направлении.
2
2
1
1
а
б Рис.1
Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую
часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной
волны с частотой
(=
эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счёт
индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят
в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и
фазе с падающей волной. На рисунке 2, а показаны возбужденный атом и волна,
а на рисунке 2, б схематически показано, что атом перешел в основное
состояние, а волна усилилась.
2
2
1
1
а
б Рис. 2
Трехуровневая система. Существуют различные методы получения среды с
возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого
используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет
поглощения света.
Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным
ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа
невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает
индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.
Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее
число уровней всегда велико, но речь идет о «работающих» уровнях). На
рисунке 3 изображены три энергетических уровня. Существенно, что в
отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система
находится в различных энергетических состояниях («время жизни»),
неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10-8 с, после
чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света.
(Энергия при этом передается кристаллической решетке.) «Время жизни» в
состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из
состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны
сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной
лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-
8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким
образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению
с невозбужденным уровнем 1.
Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин –
это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома
(около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми
свойствами.
Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется
стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму
спирали (рис. 4), дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от
батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую
вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится
«перенаселенным».
В результате самопроизвольных переходов 2(1 начинают излучаться волны
всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси
кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли.
Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов.
Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро
усиливается.
Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой
полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью
около сотни микросекунд) импульс красного света, обладающий теми
феноменальными свойствами, о которых было рассказано выше. Волна является
когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так
как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень
малое время.
[pic]
Рис. 4
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Приведенная ниже классификация лазеров не претендует на полноту и
законченность, что объясняется задачами, которые стояли перед автором
реферата, – дать лишь общие представления о принципе работы и применении
лазеров.
Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе
усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже
находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на
частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к
отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на
входе слабое излучение, на выходе – усиленное.
С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте
перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное
вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуждённом
состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода
одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к
возникновению стимулированного излучения.
Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием
активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твёрдотельными
(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-
неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного
вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют
полупроводниковым.
Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного
вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического
излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной
энергией, с возбуждением за счет энергии взрывающихся проволочек, с
возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного
излучения (последние привлекают сейчас пристальное внимание зарубежных
военных специалистов). Различают также лазеры по характеру излучаемой
энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то
говорят об импульсныx лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с
непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например
полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале
длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то
говорят о широкополосном лазере.
Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной
мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более
106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103
Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт,
то говорят о маломощных лазерах.
В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают
лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью –
у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси
электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность
резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения.
Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
Твердотелые лазеры
Полупроводниковые л.
Газовые л. Электронные
Химические л. генераторы
Эксимерные л.
0,1 1,0 10 100 1000 10000 100000 мкм Рис. 5
образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового
участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно
сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время.
Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова (рис. 5).
Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.
Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она
измеряется в джоулях к наибольшей величины достигает у твердотельных
генераторов – порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность.
Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые
излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную
мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-
неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С
твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К
примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале
времени в одну секунду, то мощность составит
| |  скачать работу |
Лазеры |
