Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
| а)
Рис.8 б) Спонтанное излучение обычных источников света представляет собой поток фотонов, которые излучают частицы, совершая спонтанные квантовые переходы между различными уровнями энергии в разные моменты времени. Закономерности спонтанного излучения определяются только свойствами источника света. Направление движения фотонов произвольное, они летят в разные стороны. Энергия фотонов е равна разности энергий уровней, между которыми происходит квантовый переход частиц. Частицы при квантовых переходах излучают разные длины волн Я от ультрафиолетовой до инфракрасной области (е = h ? v = ^ с ). Лазерное излучение возникает при вынужденных квантовых переходах частиц между возбуждёнными рабочими уровнями энергии. Замечательным свойством фотона, возникающего при вынужденном квантовом переходе, является его полная тождественность с первичным фотоном, стимулирующим вынужденный квантовый переход, т. е. точное совпадение значений энергии, частоты (длины волны), фазы, поляризации, направления движения. Вынужденное излучение состоит из фотонов, имеющих одну и ту же энергию е = h ? v = ^'с и длину волны Я, т. е. оно обладает Я свойством монохроматичности (Я = с о п s t). Монохроматичность лазерного излучения обусловлена тем, что оно возникает в результате вынужденных квантовых переходов между определёнными рабочими уровнями энергии частиц активной среды. Степень монохроматичности определяется свойствами активной среды, а именно, шириной спектральной линии квантового перехода, на котором осуществляется усиление и генерация излучения, а так же свойствами оптического резонатора и режимом работы лазера. Основным условием устойчивой работы лазера является сохранение неизменной длины L оптического резонатора, так как длина волны Я „ лазерного излучения равна Поэтому большое внимание уделяется механической стабильности и изоляции лазера от вибраций. Изменение длины волны Я (смещение) можно корректировать, прикрепив к одному из зеркал резонатора пьезоэлектрический элемент, регулирующий длину L резонатора. В лазерах практически генерируется излучение очень близкое к монохроматическому излучению. Спектральная линия имеет некоторую ширину А Я, что связано с возникновением спонтанного излучения при квантовых переходах частиц на нижележащие уровни энергии, а также изменением расстояния между зеркалами, вызываемое механическим дрожанием установки, нагреванием активной среды и др. Лазерное излучение обладает свойством малой пространственной расходимости, т. е. направленностью. Направленность лазерного излучения связана с процессами вынужденного излучения, лежащих в основе работы лазеров. Первичный фотон, который вызывает генерацию излучения в лазере, должен лететь параллельно оси резонатора. Если он движется под углом к оси резонатора, то создаёт лавину фотонов, которая после небольшого числа отражений от зеркал, выйдет из активной среды или поглотится боковыми стенками лазера. Участие в генерации и усилении излучения принимают только фотоны, летящие вдоль оси оптического резонатора. Они, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходят через активную среду и вызывают вынужденные квантовые переходы возбуждённых частиц, находящихся на верхнем рабочем уровне энергии. Излучение, направленное вдоль оси оптического резонатора, усиливается со временем, и из лазера выходит направленный пучок лазерного излучения. Итак, направленность лазерного излучения обусловлена не только особенностями вынужденных квантовых переходов, но и наличием оптического резонатора. В активной среде, кроме вынужденных квантовых переходов, имеют место и спонтанные квантовые переходы между разными уровнями энергии. Поэтому возникают фотоны, движущиеся в разных направлениях. Оптический резонатор формирует лазерный луч, а именно выделяет из всей совокупности фотонов только фотоны, которые летят под очень малыми углами к его оси. Пространственный профиль лазерного луча определяется геометрией оптического резонатора, его формой в сечении, поперечном оптической оси. Пространственная расходимость лазерного излучения зависит от типа лазера, конструктивных особенностей, например, кривизны отражающих поверхностей зеркал оптического резонатора и влиянием дифракции. Угол расходимости О в лазерах всегда отличен от нуля за счёт проявления волновых свойств лазерного излучения. Угол расходимости О лазерного луча, генерируемого твердотельными лазерами, определяется, в основном, оптическими неоднородностями активной среды. Он составляет примерно 0, 06 - 0, 85°. У газовых лазеров величина угла О зависит от дифракции лазерного излучения на выходном отверстии лазера. Она составляет ~ 0, 03 - 0, 3 °. Если дифракция является определяющим фактором, то при данном диаметре d лазерного луча минимальное значение угла расходимости О определяется, как размер центрального максимума при дифракции света на круглом отверстии по формуле жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|