9 (Лекции Лунева PDF), страница 2

Из отношения для заселённостей уровней:3Семестр 4. Лекция 9.После многократных отражений от зеркал останутся только те лучи, которые практически параллельны оси системы, остальные выйдут через боковые поверхности системы. (Как мызнаем, угол расхождения лучей в пучке  обратно пропорционален ширине пучка b. Поbэтому, даже при очень точном расположении параллельных плоских зеркал, расхождение лучей является неустранимым.)Замечание. Иногда применяют сферические зеркала большого радиуса.После многократных отражений в системе появится большое количество волн, испущенных в разные моменты времени. Т.к. эти волны порождены вынужденным излучением, то ониявляются когерентными и между ними должна наблюдаться интерференция при отражении отзеркал.

Если расстояние между зеркалами равно L, то условие усиления интенсивности дляволн c длиной волны  после N проходов между зеркалами имеет вид: LN  m (m – целоечисло). Ввиду наличия естественной спектральной ширины излучения, в составе индуцированного излучения будут волны с длинами в некотором интервале:   ,    . Поэтому «выставляя» определённое расстояние между зеркалами можно добиться того, чтобы усиливалась тадлина волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения.Инверсную заселённость можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество.

Такимисточником может быть мощная лампа, электрический разряд, химическая реакция ит.п. Процесс создания инверсной заселённости уровней называют «накачкой».Кроме того нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (относительно среднего времени жизни возбуждённого состояния) ичтобы там накопилось достаточное количество атомов вещества. А дляE3этого необходимо иметь как минимум три уровня энергии рабочих частиц (атомов или ионов).E2Трехуровневая схема генерации излучения работает следующим образом. Накачка переводит атомы с нижнего энергетическогоуровня E1 на самый верхний уровень E3.

Оттуда они спускаются наE1метастабильный уровень E2, где могут находиться достаточно долгобез спонтанного испускания фотонов. И только под воздействием проходящей электромагнитной волны атом возвращается на основной уровень E1, испуская вынужденное излучение частоE  E1той   2, когерентное исходной волне.Устройства, в которых реализуется указанный принцип генерации вынужденногоизлучения, 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 квантовыйгенератор, излучающий в диапазоне видимого света.Явление индуцированного излучения было предсказано Эйнштейном в 1916 году.

Условия создания инверсной заселённости и экспериментального обнаружения вынужденного излучения сформулировал немецкий физик Р.Ланденбург в 1928 году, и независимо от него - советский физик В.А.Фабрикант в 1939 году. Вынужденное излучение в виде коротких радиоим4Семестр 4. Лекция 9.пульсов впервые наблюдали американские физики Е.Парселл и Р.Паунд в 1950 году. Принципиальную возможность построения квантовых генераторов начали обсуждать уже в начале1950-х независимо друг от друга в СССР Н.Г.Басов с А.М.Прохоровым, и в США Ч.Таунс сДж.Вебером. А в 1954–1956 годах был разработан и сконструирован первый квантовый генератор радиодиапазона - мазер ( = 1,25 см), в 1960 – лазер на рубине и газовый лазер, а спустя двагода – полупроводниковый лазер.В 1964 году 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, послеизобретения, считалось, что мазер - чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромныхгазовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (в частности, в космической связи), в физических исследованиях, а также как квантовые генераторыстандартной частоты.Несмотря на большое разнообразие типов активных сред и методов получения инверснойзаселённости все лазеры имеют три основные части: активную среду, систему накачки ирезонатор.Активная среда (вещество, в котором создается инверсная заселённость,) 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 холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости оттипа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.Накачка создаёт инверсную заселённость в активных средах, причём 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, являетсяполяризованным и узконаправленным потоком излучения (имеет малый угол расхождения пучка).

Как правило, расхождение пучка лучей достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такойпучок, 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 10 17 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал 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 пе5Семестр 4. Лекция 9.чах, 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 рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причём 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 зелёной 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 =694,4 нм и =692,8 нм.

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