Астронет > Лазеры и их применение

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Лазеры и их применение

М. Ф. Сэм (Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 6, 1996 г. Содержание

Принцип работы и устройство лазера

Как уже отмечалось, генерация в лазере достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

Рис. 1. Возможные переходы в двухуровневой системе. Вероятности: W_c - спонтанного излучения, R - безизлучательной релаксации, W₁₂ - поглощения, W₂₁ - индуцированного излучения. n₂ и n₁ - плотности населенностей, $\tau_2$ и $\tau_1$ - времена жизни уровней. F₂ и F₁ - скорости накачки (число частиц, поставляемых в единицу времени и в единицу объема) на уровни 2 и 1.

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии ( $\tau_2$ и $\tau_1$ на рис. 1) Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной [Советская энциклопедия, 1969]. Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид
$W_{12} = B_{21} \rho S(\nu), W_{21} = B_{12} \rho S(\nu)$
и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B₂₁ и B₁₂), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии $\rho$ и совпадения частоты поля $\nu$ с центральной частотой перехода $\nu_0$ , что учитывается специальной функцией $S(\nu)$ . При одинаковой степени вырождения уровней B₂₁ = B₁₂ , W₂₁ = W₁₂ [Советская энциклопедия, 1969]. При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W₂₁n₂ было больше числа переходов вверх W₁₂n₁, необходимо, чтобы n₂ > n₁: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем. Среда, для которой выполняется условие n₂ > n₁, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n₂ > n₁ является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера. Ясно, что при термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, поскольку, согласно закону Больцмана,
$n_2 = n_1e^{-\frac{E_2 - E_1}{kT}},$
и на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия. Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки). Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения
$F_2\tau_2 > F_1\tau_1,$
то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего. Заселение уровней в лазерах может осуществляться [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]: - за счет поглощения света (оптическая накачка). Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях. - в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе. - за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней. - в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным. - за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров. Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях. Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. При коэффициенте усиления на единицу длины $\alpha$ и длине среды l поданный на ее вход сигнал интенсивностью I₁ будет усилен (при отсутствии насыщения) до значения $I_2 = I_1 e^{\alpha l}$ на выходе; то есть таким образом может быть реализован оптический усилитель когерентного сигнала с коэффициентом усиления по мощности $G = e^{\alpha l}$ Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 2). Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур. Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами $L = \lambda$ (L - характерный размер резонатора, $\lambda$ - длина волны) просто не может быть изготовлен, а при $L \gg \lambda$ закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются [Советская энциклопедия, 1969]. Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при $L \gg \lambda$ .

Рис. 2. Принципиальная схема лазера.

Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения [Тарасов Л.В., 1981]. В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: $L = q \frac{\lambda}{2}$ (q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q:
$\nu_q = q \frac{C}{2L}$
и расстоянию по частоте между соседними (q отличается на 1) модами:
$\Delta \nu_{\Box} = \frac{C}{2L}.$
На рисунке 3 приведен частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора $\Delta \nu_p$ , определяющая ширину резонансных кривых отдельных мод (кривые 2-4 на рис. 3), и даже расстояние между соседними модами $\Delta \nu_{\Box}$ оказываются меньше, чем ширина линии усиления $\Delta \nu_{\Box}$ , причем даже в газовых лазерах, где уширение линий наименьшее. Поэтому в контур усиления попадает несколько типов колебаний резонатора.

Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе и попадающие в контур усиления типы колебаний резонатора

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе $\alpha$ (кривая 1) и попадающие в контур усиления типы колебаний резонатора (2-4). При уровне потерь $\beta_1$ могут генерировать три моды, при $\beta_2$ - одна центральная.

Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление $\alpha$ больше потерь в резонаторе $\beta$ (три моды на рис. 3 при $\beta = \beta_1$ ). Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рисунке 3) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Поскольку в оптике, как отмечено выше, $\Delta \nu_{\Box} > \Delta \nu_p$ и частота генерации в лазере определяется в основном частотой резонатора, то, чтобы держать стабильной частоту генерации, необходимо стабилизировать резонатор. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний
Публикации со словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний

См. также:

Лучи лазеров помогают успокоить атмосферу

Лазер бьет в центр Галактики

Атака лазерной опорной звезды

Туманность с лазерными лучами

Четыре лазера над Мауна Кеа

Папа усмиряет Омикрон Кита

Лазерный выстрел в центр Галактики

Все публикации на ту же тему >>

Обсудить эту публикацию

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце