Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
Часть атомов неона Ne в электрическом разряде переходит с основного уровня энергии W / на возбуждённые уровни энергии W 2, W 2, W 4, W j. Время жизни атомов Ne в чистом неоне на этих уровнях энергии мало и атомы спонтанно переходят на более низкие уровни энергии. Это препятствует созданию инверсии населённостей рабочих уровней энергии. Примесь атомов гелия Не существенно меняет ситуацию. Важное значение для работы лазера из всех уровней энергии имеют, кроме основного уровня энергии, метастабильные уровни энергии W’2 и W’j. Свободные электроны, возникающие при газовом разряде, сталкиваются с атомами Ne и гелия Не, находящимися в основном состоянии на уровне энергии W 2, и передают им часть кинетической энергии. Атомы гелия Не, получив энергию от свободных электронов, переходят на уровни энергии W'2 и W’2, а атомы неона Ne - на уровни энергии W ?, Wз, W4, W 5. Уровни энергии W’2 и W'< атомов гелия Не являются метастабильными, и спонтанные переходы на основной уровень энергии W 1 маловероятны. Поэтому время жизни возбуждённых атомов гелия Не на уровнях энергии W’2 и W't велико. На этих уровнях энергии в результате электронных ударов происходит накопление атомов гелия Не. Уровни энергии W’2 и W’t атомов гелия Не практически совпадают с уровнями энергии W 4 и W5 атомов неона Ne. Для газов характерна передача энергии от атомов одного вида к атомам другого вида при совпадении уровней энергии сталкивающихся атомов. Такую передачу энергии называют резонансной. Атомы гелия Не играют роль посредника, с помощью которого энергия передаётся атомам неона Ne. Генерация лазерного излучения осуществляется за счёт квантовых переходов между энергетическими уровнями атомов неона Ne. При неупругих столкновениях возбуждённых атомов гелия Не, имеющих энергию W’2 и W’2, с атомами неона Ne, находящихся в основном состоянии с энергией W /, происходит резонансная передача энергии от атомов гелия Не к атомам неона Ne. Атомы неона Ne переходят с уровня энергии W 2 на возбуждённые уровни энергии W4 и энергии W5 Возникает инверсная населённость уровней энергии W 5 и W 4 атомов неона по отношению к ниже лежащим уровням энергии W2 и W2. Атомы гелия Не, после столкновения с атомами неона Ne и передачи им энергии, возвращаются в основное состояние на уровень энергии W ]. Опустошение нижних рабочих уровней энергии W 2 и W2 атомов неона Ne происходит при соударениях их со стенками газоразрядной трубки. При этом атомы неона Ne совершают безызлучательные квантовые переходы на основной уровень энергии W1. Заметим, что столкновения атомов неона Ne со стенками газоразрядной трубки практически не влияет на заселённость уровней энергии W j и W 4, так как атомы неона Ne за время жизни на этих уровнях энергии не успевают долететь до стенок. Диаметр газоразрядной трубки должен быть достаточно мал для эффективного опустошения нижних рабочих уровней атомов неона Ne. Но малый диаметр трубки ограничивает число атомов неона Ne, а, следовательно, и мощность генерации лазерного излучения. При увеличении диаметра трубки в ней возрастает объём газовой смеси. Оптимальным с точки зрения максимальной мощности генерации излучения является диаметр газоразрядной трубки около 7мм при давлении 1 мм pm. cm. и определённом соотношении атомов неона Ne и гелия Н е {1 :10). Мощность генерации излучения гелий - неоновых лазеров мала, составляет сотые доли Вт при к. п. д < 0, 1 %. Это объясняется тем, что верхний рабочий уровень энергии W 5 атомов неона Ne лежит высоко (~ 21 эВ) относительно основного уровня энергии W /. Инверсная населённость энергетических уровней создаётся при электронном возбуждении атомов газовой смеси из основного энергетического состояния ?). Поэтому только электроны с большой энергией принимают участие в процессе возбуждения атомов гелия Не и неона Ne. Атомы неона Ne могут генерировать лазерное излучение в результате ~ 130 различных квантовых переходов. Но при таких квантовых переходах наиболее интенсивными спектральными линиями являются линии с длинами волн 1 = 0, 63 мкм, X = 1, 15 мкм и Я = 3, 39 мкм, из них Я = 0, 63 мкм приходится на видимую область спектра, а две другие - на инфракрасную область. Длина волны Я = 0, 63 мкм возникает при квантовом переходе W j ^ W 2, длина волны Я = 1, 15 мкм при квантовом переходе W 4 —> W з, а длина волны Я = 3, 39 мкм квантовом переходе W5—>W4. В настоящее время большинство гелий- неоновых лазеров настраивается на излучение с длиной волны Я = 0, 63 мкм (красный свет). Широкому применению таких лазеров способствует простота конструкции, надёжность, большой срок службы. Для излучения гелий-неоновых лазеров характерны малая расходимость лазерного луча (высокая направленность), монохроматичность (Я =с о п s t) и стабильность частоты. Гелий-неоновые лазеры широко используются в науке, технике. Г енерация лазерного излучения со времени появления гелий-неоновых лазеров получена более чем на 450 различных квантовых переходах между энергетическими уровнями нейтральных атомов 34 химических элементов. жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|