Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
|
Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора) Лазер (оптический квантовый генератор) - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного излучения. Слово “лазер” - аббревиатура слов английского выражения - усиление света вынужденным излучением. Лазер называют так же оптическим квантовым генератором. Генератор является квантовым, так как поведение частиц, создающих излучение лазера, описывается законами квантовой механики. Заметим, что излучение ламповых генераторов создаётся свободными электронами, их движение описывается законами классической механики. Лазеры, в отличие от квантовых усилителей, усиливающих электромагнитное излучение, генерируют его. Работа лазеров основана на вынужденном испускании фотонов частицами квантовой системы под действием внешнего электромагнитного излучения. В лазерном излучении наиболее ярко проявляются волновые свойства, хотя в основе работы лазеров лежит взаимодействие фотонов с веществом. В настоящее время созданы лазеры, разные по конструкции, режиму работы, назначению. Но все лазеры содержат три основных элемента - активную среду (активный элемент), систему накачки (источник накачки) и устройство для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор). Активная среда (активный элемент) - вещество, в котором создаётся инверсия населённости уровней энергии. Она может быть твёрдой, жидкой, газообразной. В лазерах в качестве активной среды используют кристаллы (диэлектрические), стекло, полупроводники, газы, различные жидкости и др. Активная среда для генерации вынужденного излучения должна иметь такие уровни энергии, квантовый переход между которыми сопровождался бы излучением фотонов заданной частоты v (длины волны Я). Выбор активной среды определяет длину волны Я лазерного излучения и его коэффициент полезного действия. У активной среды должна быть определённая концентрация частиц, обеспечивающая их накопление на верхнем рабочем уровне энергии и излучение энергии. Чем больше концентрация частиц, тем большее их число примет участие в создании лазерного излучения. Под накачкой в квантовой электронике понимают процесс создания неравновесного состояния вещества. Накачка переводит вещество из состояния термодинамического равновесия в активное состояние с инверсией населённости, в котором оно усиливает и генерирует электромагнитные волны. Источник накачки поставляет энергию в квантовую систему, создаёт инверсию населённости уровней энергии в активной среде. Лазеры, в отличие от квантовых усилителей, содержат оптический резонатор, осуществляющий обратную положительную связь. Оптический резонатор обеспечивает многократное прохождение фотонов через активную среду, что способствует наиболее полному взаимодействию электромагнитного излучения с веществом. В оптическом резонаторе возбуждаются стоячие электромагнитные волны оптического интервала, и накапливается энергия вынужденного излучения. В работе лазеров решающую роль играют открытые резонаторы. Открытый резонатор для генерации электромагнитного излучения предложил академик А. М. Прохоров в 1954 г. Открытый резонатор представляет собой в простейшем случае систему, состоящую из двух плоскопараллельных зеркал, одно из них непрозрачное, а другое - полупрозрачное. Зеркала расположены на определённом расстоянии друг от друга так, что их оптические оси совпадают. Качество зеркал характеризуется коэффициентом отражения R. Он равен отношению интенсивности I отр света к интенсивности I пад падающего света (R = h,»P). Коэффициент отражения R у реальных зеркал, 1 чад используемых в лазерах, меньше 100%. Потери энергии связаны, как её с поглощением, так и выходом излучения через полупрозрачное зеркало наружу. В разных типах лазеров применяются оптические резонаторы, отличающиеся друг от друга формой (плоские, сферические, кольцевые и др.), числом зеркал (двух зеркальные или многозеркальные), расположением зеркал. Источник накачки Рис.1 Рассмотрим принцип действия плоского оптического резонатора, состоящего из двух зеркал, принимая во внимание волновую природу электромагнитного излучения. Пусть электромагнитная волна распространяется в активной среде с инверсией населённости вдоль оси резонатора (рис.1). Частота v волны равна частоте v фотонов, испускаемых при вынужденных квантовых переходах. Электромагнитная волна порождает в активной среде лавину фотонов, которая дойдя до непрозрачного зеркала, отражается обратно в активную среду. Между зеркалами распространяются две волны - падающая на зеркало волна и волна, отражённая от него. Падающая электромагнитная волна и отражённая электромагнитная волна за счёт интерференции, в зависимости от их фаз, усиливают или гасят друг друга. Фаза отражённой электромагнитной волны совпадает с фазой падающей электромагнитной волны (происходит усиление электромагнитных волн), когда на длине L резонатора, равного расстоянию между зеркалами, укладывается целое число длин волн Я где п - целое число. В результате интерференции падающей и отражённой волн образуется стоячая волна. Название устройства “резонатор” указывает на то, что индуцированное (вынужденное) излучение, распространяющееся в противоположных направлениях, в виде бегущих волн, резонируют в нём, образуя стоячие волны. Оптический резонатор определяет в значительной степени основные свойства лазерного излучения: монохроматичность, направленность, мощность. В реальных квантовых системах существует несколько рабочих уровней энергии, квантовые переходы частиц между которыми дают электромагнитное излучение с разными длинами волн Я. Резонатор позволяет выбрать нужную длину волны Я, для этого расстояние L между зеркалами должно быть навно Процесс усиления электромагнитного излучения связан с направленностью излучения, выходящего из лазера. Через активную среду наибольшее число раз проходит излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора или под очень малым углом к ней. Если излучение направлено под большим углом к оси резонатора, то при каждом отражении от зеркал оно все сильнее отклоняется от оси и покидает резонатор, выходя через боковые поверхности активной среды или поглощаясь ими. Излучение, направленное вдоль оси резонатора, усиливается за счёт вовлечения в процесс излучения возбуждённых частиц с верхнего рабочего уровня энергии. В результате на выходе из лазера образуется направленный, почти параллельный пучок лазерного излучения. Механизм возникновения лазерного излучения рассмотрим с точки зрения квантовой теории света. В лазерах отсутствует первичное световое излучение, вызывающее вынужденные квантовые переходы частиц активной среды. Активная среда при включении источника накачки поглощает энергию и переходит в состояние с инверсией населённости рабочих уровней энергии. Затем частицы, находящиеся на верхнем рабочем уровне энергии, начинают спонтанно (без внешнего воздействия) в разные моменты времени переходить на нижний рабочий уровень энергии, излучая фотоны с одинаковой энергией, равной разности энергий рабочих энергетических уровней, движущихся в разных направлениях. Любой фотон, возникающий в активной среде за счёт спонтанного испускания его возбуждённой частицей, находящейся на верхнем рабочем уровне энергии, вызывает процесс генерации вынужденного излучения (свет). Фотоны, возникающие при спонтанных квантовых переходах частиц активной среды, вызывают вынужденные квантовые переходы. Частицы при таких переходах излучают фотоны с такими же характеристиками, что и у падающих на них фотонов. Число фотонов со временем возрастает, образуются лавины. Лавины фотонов, движущихся под большими углами к оси резонатора, поглощаются боковыми поверхностями активной среды. Фотоны, которые движутся вдоль оптической оси, при каждом проходе между зеркалами вызывают вынужденные квантовые переходы. В результате возникает лавина фотонов, летящих в том же направлении. Когда вынужденное излучение достигает определённой интенсивности часть его выходит через полупрозрачное зеркало наружу, а часть фотонов отражается в активную среду и даёт начало новой лавине, которая ни чем не отличается от предыдущей лавины. Внутри лазера при генерации вынужденного излучения теряется энергия, что связано с поглощением и рассеянием её в активной среде, зеркалах. Работу лазеров обеспечивают дополнительные устройства - система охлаждения активной среды и элементов системы накачки, устройство для контроля параметров излучения, управления пучком света и др. Лазеры, в зависимости от вещества активной среды, делятся на твердотельные, газовые, жидкостные, химические, лазеры на свободных электронах, полупроводниковые и др. По режиму работы выделяют лазеры непрерывного действия и импульсные лазеры, работающие в течение малого интервала времени (10 2 - 10 6 с). В зависимости от вида частиц активной среды лазеры делятся на атомарные, молекулярные, ионные, рентгеновские и ядерные. Основными характеристиками лазеров являются: 1. Длина волны Я излучения. Длина волны Я в зависимости от типа лазеров изменяется от 0, 1 до 100 мкм. 2. Мощность лазера, (энергия, излучаемая лазером в единицу времени). Она зависит от типа лазера, режима его работы. В лазерах непрерывного действия мощность излучения составляет ~ 100 Вт, а в импульсных лазерах она доходит до 10 14 Вт и более. 3. Коэффициент полезного действия (к. п. д.). В зависимости от типа лазера он изменяется от сотых, десятых долей процента до 70 - 80 %. Например, коэффициент полезного действия гелий- неонового лазера ~ 20% , а у лазера на стекле с неодимом он составляет ~ 80 %. жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|