Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716
Лекция 12. Приборы когерентного излучения. Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
жүктеу/скачать 1,12 Mb.
|
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы ко
| Лекция 12.
Приборы когерентного излучения. Физические основы усиления и генерации лазерного излучения. Лазер - генератор излучения, когерентного во времени и пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту системy излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется озерным усилением. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Ен часть электронов с нижних равновесных уровней Ei переходит на более высокие уровни, а затем оказывается на уровне возбуждения Е2 (рис. 12.1). Рисунок 12.1. Квантовые переходы в лазерном веществе. Возвращение этих электронов с уровня Е2 на уровень Е1 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны λ = 1,24/(Е2-Е1) где λ – выражается в мкм; Е – в эВ. Процесс перехода электронов с уровня Е2 на уровень Е1 может проходить по-разному. Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора поляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1-3 на рис. 12.1). Такой процесс хода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуждающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения. Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных переходов из энергетического состояния Е2 в Е1 (переходы 4, 5 на рис. 12.1). Такие переходы связаны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти временно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, be денное излучение - когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазер уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии зонами — лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными переходами (из состояния Е2 в состояние Е1 - переходы 4, 5 на рис. 12.1) существуют спонтанные переходы из Е2 в Е1 (1-3 на рис. 12.1), а также переходы из Е1, в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход б на рис. 12.1). Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Количество лазерных переходов за время ∆t можно в первом приближении выразить в виде Nлаз = В21QвынN2∆t, где В21 - вероятность лазерного перехода; Qвын - энергия вынуждающего излучения, N2 - концентрация атомов в энергетическом состоянии Е2. Спонтанные переходы из Е2 в Е1, происходят самопроизвольно (т.е. от вынуждай: излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде Nспон=-A2]N2∆t, где А21 — вероятность спонтанного перехода Е2 →E2 Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающего излучения, определяется выражением Nпогл= -В2]N1∆t, где В12 - вероятность квантового перехода с поглощением излучения; N1 атомов в энергетическом состоянии Е1\. Полагая в первом приближении равенство вероятностей В2\ = В12 = В, получаем уст лазерного усиления в виде B{N2-Nl)Qвын-A21N2>0. При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления можно записать как BQBblH(N2-Nx)>0 uли ∆N=(N2-Nl)>0. В равновесном состоянии системы всегда N2>Nl и лазерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение. Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных переходов больше, чем отдает из-за поглощения. Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного перехода и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют получить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше. Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня I, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана N2/N1 = ехр [-(Е2-Е1)/kt], где N2 - населенность возбужденными атомами (в состоянии Е2); N1 — населенность невозбужденными атомами (в состоянии Е1). При этом ∆N= N2 - N1 = N1 [exp(-(Е2-Е1)/ kt)-1]отрицательна, и в веществе имеем нормальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации возбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно. Когда ∆N > 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей, и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов. Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.. жүктеу/скачать 1,12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|