9 (Лекции Лунева PDF), страница 3

Вспышка лампы длитсямиллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большаячасть которой уходит на нагревание прибора. Газ ксенон при этом разогревается до несколькихтысяч градусов. Непрерывная накачка невозможна, т.к. лампа не выдерживает длительногонагрева. Излучение лампы накачки поглощается ионами Cr3+ в области полос поглощения. Затем с этих уровней ионы Cr3+ очень быстро впереходголубойрезультате безизлучательного перехода перехобез излучениядят на энергетические уровни E и E'. Излишкизелёныйэнергии передаются кристаллической решетке,Eгде преобразуются в энергию её колебанийE(энергию фононов). Уровни E и E' - метастанакачкабильны (время жизни атома на уровне E' равно4,3 мс). Таким образом, создаётся значительнаяинверсная заселённость активной среды относиE0тельно уровня 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 передаётсяатомам Ne.Атом Ne может генерировать в результате более 130 различных энергетических переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии излучения 632,8 нм, 1,15 мкм, и 3,39 мкм.При пропускании тока через смесь He-Ne атомы гелия в результате электронных ударов возбуждаются до состояний 23Sи 22S, которые являются метастабильными, т.к.

переход с нихв основное состояние запрещён квантово-механическими праГелий-неоновый лазер.вилами отбора. Когда возбуждённый атом гелия сталкивается сСветящийся луч в центре невозбуждённым атомом неона, то энергия переходит от He кэлектрический разряд.Ne. Этот переход происходит весьма эффективно, т.к. уровни3S и 2S атома Ne совпадают с соответствующими энергетическими уровнями атома He.

Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселённость относительно уровней 3P и 2P.6Семестр 4. Лекция 9.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 втрубке - 4кВ, коэффициенты отражения зеркал - 0,999 и 0,990. Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора - от 15см до 0,5м, их выходная мощность варьируется от1 до 100мВт.Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим теломлазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием допплеровскогосмещения.

Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения дляиспользования в голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрих-кодов.Виды лазеров.Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, атакже остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, наоснове которых можно построить лазер.В лазерах, в основном, используются следующие рабочие тела. Твёрдые тела, такие каккристаллы и стекло.

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Полупроводники - материалы, в которых переход электронов междуэнергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Жидкости, как, например, влазерах на красителях.Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция,взрывчатое вещество.По виду рабочего тела лазеры делятся на следующие типы.Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла).

В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир(оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титансапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литийалюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло).

Накачка - оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме.Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки - инжекцияизбыточных носителей заряда через p-n тропереход или гетеропереход, электрический пробойв сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами, а квантовые переходы происходятмежду разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии.Полупроводниковые лазеры - наиболее употребительный в быту вид лазеров.

Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использоватьих в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков. Кроме этого применяютсяв спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды растворфлюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Состоят изорганического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин.

Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах.7Семестр 4.

Лекция 9.Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.Газовые лазеры - лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения.Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовыелазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой), газодинамическиеи химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательныхпереходах молекул и эксимерные лазеры.Газодинамические лазеры - газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия заселённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество - CO2).Эксимерные лазеры - разновидность газовых лазеров, работающих на энергетическихпереходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов),способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии.

Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией заселённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавнойперестройки в широком диапазоне.Химические лазеры - разновидность лазеров, источником энергии для которых служатхимические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходыпроисходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции.

Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способывоздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации вближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.Лазеры на свободных электронах - лазеры, активной средой которых является потоксвободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации.

Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых - мощным полемэлектромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений.Квантовые каскадные лазеры - полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров,которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешёнными электроннымии дырочными уровнями, разделёнными запрещённой зоной полупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.Волоконный лазер - лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна,внутри которого полностью или частично генерируется излучение.

При полностью волоконнойреализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использованииволоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретнымили гибридным.Возможны и другие виды лазеров, разработка которых находится на этапе исследований– рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.8Семестр 4. Лекция 9.9.