12 (Лекции кафедральные (PDF)), страница 2

Оттуда они спускаются на метастабильный уровень E2, где могут находиться достаточнодолго без спонтанного испускания фотонов. И только под воздействиE3ем проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основE2ной уровень E1, испуская вынужденное излучение частотойE − E1ω= 2, когерентное исходной волне.E1Устройства, в которых реализуется указанный принцип генерации вынужденного излучения получили общее название – квантовые генераторы.Излучение, получаемое с помощью квантовых генераторов, обладает большой пространственной и временной когерентностью, высокой степенью монохроматичности, является поляризованным и узконаправленным потоком излучения (имеет малый угол расхождения пучка).Оптические квантовые генераторы.Особенности лазерного излучения.

Основные типы лазеров, их применение.Мазер (от английской аббревиатуры MASER - microwave amplification by stimulatedemission of radiation - усиление микроволн с помощью вынужденного излучения) - квантовыйгенератор, излучающий в диапазоне радиоволн.Лазер (от английской аббревиатуры LASER - light amplification by stimulated emission ofradiation - усиление света посредством вынужденного излучения) - оптический квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого света.Явление индуцированного излучения было предсказано Эйнштейном в 1916 году. Условия создания инверсной населенности и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р.

Ланденбург в 1928 г. и независимо от него советстский физик В.А.Фабрикант в 1939 г. Вынужденное излучение в виде коротких радиоимпульсоввпервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950 г. Принципиальную возможность построения квантовых генераторов начали обсуждать уже в начале 1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс с Дж.Вебером. А в1954–1956 был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона - ма-4Семестр 4. Лекция 12.зер (λ = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года – полупроводниковый лазер.В 1964 г Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия по физике«за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданиюосцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера - мазера».

Изначально, после изобретения, считалось, что мазер - чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (в частности, вкосмической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторы стандартной частотыНесмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверснойзаселенности все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки и резонатор.Активная среда – вещество, в котором создается инверсная заселенность, – может бытьтвердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в видестержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках).

Полупроводниковые материалы и холоднаяплазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типаактивной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой средывыбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостныхлазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическимразрядом, полупроводники – электрическим током.Как уже отмечалось, излучение, получаемое с помощью лазеров, обладает большой пространственной и временной когерентностью, высокой степенью монохроматичности, является поляризованным и узконаправленным потоком излучения (имеет малый угол расхождения пучка).Как правило, расхождение пучка лучей достигает 10-5 рад.

Это значит, что на Луне такой пучок,посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км.Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7⋅103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал λ∼10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всеголишь 0,2 Вт/см2.

Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают кразличным методам повышения мощности.Рубиновый лазер.В декабре 1960 г. Т. Мейман (США) построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин.Рубин является одним из широко используемых материалов для твердотельных лазеров,применяемых в голографии, главным образом из-за большой энергии выходного излучения иего длины волны.Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещенаатомами хрома (Al2O3⋅Cr2O3). Активным веществом служат ионы хрома Cr3+.

От содержанияхрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома (от веса рубина). Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делаютстрого параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы руби5Семестр 4. Лекция 12.нового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого - отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10—25%, но может быть и другим.Кристалл рубина имеет две полосы поглощения: в зеленой и в голубой части спектра.Помимо этих полос имеются два узких энергетических уровня E и E', при переходе с которыхна основной уровень Е0 атом излучает свет с длинамиволн λ=694,4 нм и λ′=692,8 нм.

Ширина этих линий∼0,4 нм, вероятность вынужденных переходов для линии 694,4 нм больше, чем для λ′=692,8 нм.В рубиновом лазере используется оптическаянакачка ксеноновой лампой, которая дает вспышкибелого света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока. Для этого рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампыдлится миллисекунды.

За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей,большая часть которой уходит на нагревание прибора. Газ ксенон при этом разогревается донескольких тысяч градусов. Непрерывная накачка невозможна, т.к. лампа не выдерживает длительного нагрева. Излучение лампы накачки поглощается ионами Cr3+ в области полос поглощения. Затем с этих уровней ионы Cr3+ оченьпереходголубойбыстро в результате безизлучательного перехобез излучениядапереходят на энергетические уровни E и E'.зелёныйИзлишек энергии передается кристаллическойEрешетке в энергию ее колебаний (энергию фоE′нонов).

Уровни E и E' - метастабильны (времянакачкажизни атома на уровне E' равно 4,3 мс). Такимλλ′образом, создается значительная инверсная населенность активной среды относительно уровE0ня E0.Гелий-неоновый лазерВ гелий-неоновом He-Ne лазере активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется припереходах между энергетическими уровнями Ne, а He играетроль посредника, через который энергия накачки передаетсяатомам Ne.Атом Ne может генерировать в результате более 130 различныхэнергетических переходов.

Однако наиболее интенсивнымиявляются линии излучения 632,8 нм, 1,15 мкм, и 3,39 мкм. Припропускании тока через смесь He-Ne атомы гелия в результатеэлектронных ударов возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются метастабильными, т.к. переход с них в основное состояние запрещен квантово-механическими правиламиГелий-неоновый лазер.отбора.

Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозСветящийся луч в центре бужденным атомом неона, то энергия переходит от He к Ne.электрический разряд.Этот переход происходит весьма эффективно, т.к. уровни 2S и2S атома Ne совпадают с соответствующими энергетическимиуровнями атома He. В следствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная населенность относительно уровней 3P и 2P.He-Ne лазер работает в непрерывном режиме.

На торцы лазерной трубки наклеены многослойные зеркала под углами Брюстера к оси. Это обеспечивает линейную поляризацию излучения. Давление He-332Па, Ne-66Па в трубке, постоянное напряжение на электродах в трубке4кВ, коэффициенты отражения зеркал 0,999 и 0,990. Гелий-неоновые лазеры компактны, ти6Семестр 4. Лекция 12.пичный размер резонатора - от 15 см до 0,5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100мВт.Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим теломлазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием допплеровскогосмещения.