Физические принципы работы лазера (оптического квантового генератора)
жүктеу/скачать 242,16 Kb.
|
Оптика Акмаржан
| Рубиновый лазер
Рассмотрим принцип действия рубинового лазера, работающего по трёхуровневой схеме. В твердотельных лазерах в качестве активного вещества чаще всего используют кристаллы рубина и стекла с примесью неодима. Рабочим веществом в рубиновом лазере является рубин, представляющий собой кристалл корунда АС О;. Когда выращивают кристалл, в него вводят положительные ионы хрома Сг 3+, заменяющие в кристаллической решётке ионы алюминия А1. В твердотельных лазерах, кроме ионов хрома Сг 3+, часто используют ионы неодима N d3+. Кристалл корунда становится рубином и приобретает красный цвет, характерный для рубина. Чем больше концентрация ионов хрома Сг '<+, тем интенсивнее красный цвет. Стандартные кристаллы рубина содержат всего ~ О, 05 % ионов хрома Сг 3+. В 1см 3 кристалла рубина содержится ~ 4, 7 -10 22 % ионов А13+ и ~ 1, 6 -10 9 % ионов Cr 3+. Один ион хрома Сг 3+ приходится несколько тысяч ионов алюминия Al 3+. Кристалл рубина выращивают в виде цилиндрического стержня длиной ~ 10 - 20 см, диаметром не более 2 см. Излучение источника накачки при большем диаметре не может эффективно проникать внутрь кристалла и параметры излучения лазера ухудшаются. Один из концов кристалла рубина, покрытый серебром, срезан так, что обеспечивает полное отражение излучения обратно в активную среду. Срез заменяет непрозрачное стекло резонатора. Другой конец стержня срезан под углом Брюстера, поэтому выходящее из него без отражения вынужденное излучение линейно поляризовано. На пути излучения ставится полупрозрачное зеркало резонатора. Ионы хрома Сг 3+ в кристалле рубина являются активным веществом, вынужденные квантовые переходы которого создают вынужденное (лазерное) излучение. Инверсия населённости энергетических уровней ионов хрома Сг3+ достигается путём оптической накачки. Источником оптической накачки служит обычно импульсная ксеноновая лампа, которая наиболее экономично преобразует электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения оптического интервала. Длительность импульса лампы составляет ~ 10 3 с. Уровни энергии иона хрома Сг в кристалле рубина показаны на рис.1. Рис.1 Энергетические уровни свободного иона хрома Сг 3+ и иона хрома Cr 3+ в кристалле рубина отличаются друг от друга. У иона хрома Сг '<+, находящегося в кристалле рубина, больше уровней энергии и другое расположение. Это связано с тем, что в кристалле рубина на ионы хрома Сг 3+ действует сильное электрическое поле. Ионы хрома Cr 3+ очень слабо взаимодействуют между собой, и их энергетический спектр соответствует спектру свободного атома хрома, помещённого в сильное электрическое поле кристалла. Электрическое поле, действующее внутри кристалла рубина, приводит к уширению уровней энергии ионов хрома С г 3+. Тогда вместо узкого энергетического уровня появляется энергетическая полоса, интенсивно поглощающая излучение источника накачки. Уровень энергии W / ионов хрома Сг 3+ - основной. Он имеет сложную структуру, не играющую роли в работе лазера. Выше основного уровня энергии W / расположены близко друг к другу узкие энергетические уровни с энергией W за и W 2б- Две широкие полосы с энергией W < и W 4 находятся выше уровней энергии W з„ и W ?б. Ширина этих полос имеет большое практическое значение. Ксеноновая лампа излучает свет, близкий по спектральному составу к белому свету. Если бы уровни энергии W з и W 4 были узкими, то лишь малая часть энергии ксеноновой лампы могла быть использована для перевода ионов хрома Сг 3+ с уровня энергии W / на полосы с энергией W 3 и W4. Ионы хрома Сг 3+ при освещении кристалла рубина светом импульсной ксеноновой газоразрядной лампы, поглощают излучение и переходят из основного невозбуждённого состояния с энергией W / на возбуждённые уровни энергии, образующие две широкие полосы с энергией W з и W 4. Затем осуществляется безыизлучательный квантовый переход ионов хрома Сг 3+ на метастабильные уровни энергии W 2а и W 26 за сравнительно малое время 10 8 с). Избыток энергии ионов передаётся кристаллической решётке. Время жизни ионов хрома Сг 3+ на уровнях энергии W з„ и W зе порядка ~10 с, на них накапливаются ионы хрома Сг 3+. Населённости уровней энергии W 2а и W зв со временем возрастают и в некоторый момент времени они превысят населённость основного уровня энергии W /. Возникает инверсия населённостей относительно уровня энергии W/. Заметим, что вероятность спонтанного перехода ионов Сг 3+ с полос энергии W 3 и W 4 на уровень энергии W i пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью перехода на уровни энергии Wза и IV При спонтанном квантовом переходе одного из ионов Сг 3+ с метастабильного уровня энергии W 2 (W 2а, W in) на уровень энергии W / излучается фотон с энергией, равной разности энергий W 2 -W /, что соответствует длине волны Я = 0, 694 мкм (Я ~ 0, 7 мкм). Спонтанные квантовые переходы ионов Сг '<+ носят случайный характер. Фотоны, испускаемые при таких переходах, движутся в разных направлениях и вызывают вынужденные квантовые переходы возбуждённых ионов Сг 3+ из состояния с энергией W 2 в состояние с энергией W/. Возникают лавины фотонов, летящих в разные стороны. Лавины, которые движутся под большими углами к оси рубинового стержня, выходят через его боковую поверхность или поглощаются ею. В наибольшей степени возрастают лавины фотонов, летящих параллельно оси оптического резонатора. Когда лавина фотонов достигает непрозрачного зеркала резонатора, то часть их поглощается зеркалом. Фотоны, отражённые от зеркала, проходят опять через активную среду, вызывая вынужденные квантовые переходы ионов Сг 3+ с уровней энергии W 2 (W 2а, W 26), сопровождающиеся образованием новых фотонов. Лавина фотонов, долетев до полупрозрачного зеркала резонатора, частично проходит через него, а часть фотонов отражается обратно в активную среду и так далее. Происходит многократное отражение фотонов, движущихся вдоль оси кристалла, от обоих зеркал резонатора. Населённость уровня энергии W 2 (W 2а, W 2б) со временем уменьшается за счёт увеличения числа вынужденных излучательных квантовых переходов ионов хрома Сг :<+ . Затем генерация излучения прекращается до тех пор, пока не поступит энергия от источника накачки. В лазере генерируется импульс излучения длительностью ~ 10 6 с. Итак, режим генерации лазерного излучения возникает, когда инверсия населённости рабочих уровней энергии достигает порогового значения, при котором усиление излучения за счёт вынужденного испускания фотонов превышает потери энергии в резонаторе (поглощение фотонов зеркалами, боковыми стенками). Для работы лазера необходимо, чтобы верхний рабочий уровень энергии заселялся быстрее нижнего рабочего уровня энергии, а нижний рабочий уровень энергии освобождался от частиц быстрее верхнего. Для получения лазерного излучения рубинового лазера нужна большая мощность источника накачки, не менее 450 _т . Это связано смъ с тем, что нижний рабочий уровень энергии W / - основной и он плотно заселён ионами хрома Сг J+. Для создания инверсии населённости рабочих уровней энергии W 2 и W i необходимо перевести в возбуждённое состояние на уровень энергии W 2 больше половины всех ионов хрома Сг 3+ с уровня энергии W При вынужденных квантовых переходах ионов хрома Сг 3+ с уровня энергии W 2 на основной уровень энергии W / излучается красный свет с длинами волн 1, равными 1 = 0, 6943 мкм и 1 = 0, 6929 мкм. Поэтому рубин имеет розовую или красную окраску в зависимости от концентрации ионов хрома Сг 3+ . Наиболее интенсивной является спектральная линия с длиной волны жүктеу/скачать 242,16 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|