В.А. Горбаренко - Излучения, атомная и ядерная физика (1022086), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Вероятность спонтанного перехода постосянна для данной пары уровней и равна W mn = Amn. Вероятностьвынужденного перехода пропорциональна спектральной объемной плотности энергии (см. (1.1)) wν вынуждающего излучения свчастотой ν=(Em-En)/h: W mn =Bmnwν. Коэффициенты Amn и Bmnназываются коэффициентами Эйнштейна.
Они не зависят от направления процесса, и определяются только начальным и конечным состояниями атома: Amn = Anm и Bmn = Bnm..5.3. Прохождение света через средуПри прохождении света через среду осуществляется обменквантами между пучком света и атомами среды посредством поглощения и испускания фотонов, как спонтанно, так и вынужденно.Пусть свет частоты ν распространяется вдоль оси Z черезсреду, в которой концентрации атомов на верхнем и нижнемуровнях равны соответственно N1 и N0. Тогда интенсивность пучzI(z)= I0 eα , гдека определяется закономБугера:α=hνB10(N1−N0)/ V, B10 - коэффициент Эйнштейна, V - скоростьсвета в среде, I0=I(0). В состоянии термодинамического равновесия концентрации атомов, обладающих энергией Ei, описываютсяраспределением Больцмана.
Поэтому населенность уровня с более высокой энергией должна быть меньше, чем с низкой. Поскольку E1>E0, , то в этом случае N1<N0, т.е. α<0 и плотность поBB61тока по мере прохождения света уменьшается. Случай α<0 соответствует поглощению света средой.Если привести систему атомов в неравновесное состояние,когда N1>N0, то выполнится условие α>0, и среда будет не поглощать, а усиливать излучение. Состояние среды, при которомN1>N0, называется состоянием с инверсной населенностью.Привести систему в неравновесное состояние можно припомощи внешних воздействий, например светового пучка, вызывающего вынужденные переходы.
Однако, если среда имееттолько два уровня, то возможно только выравнивание населенностей, поскольку чем больше становится населенность верхнегоуровня (за счет поглощения), тем больше совершается переходовна нижний уровень (с излучением) Инверсная населенность таким образом достигнута быть не может.Ε2Рассмотрим среду, имеющую три энергетических уровняΕ 1 (трехуровневая схема − рис.5.3):E0, E1, E2 . При воздействии наhhνωсистему излучения большоймощностисчастотойΕ0ν02=(E2−E0)/hнаселенностиуровней E2 и E0 могут выровРис. 5.3няться.Пусть время жизни атомовна уровне E2 гораздо меньше времени жизни на уровне E1 (согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга ширинауровня E2 должна быть гораздо больше ширины уровня E1).
Тогда в процессе спонтанных переходов атомов с уровня E2 на E1будет происходить накопление атомов на уровне E1, а при вынужденных переходах атомов с уровня E0 на уровень E2 происходит уменьшение населенности уровня E0., В результате этого между уровнями E0 и E1 создастся инверсия населенности, котораяможет использоваться для усиления света.5.4. Принцип работы лазера62Первый лазер был создан в 1960 году Ч.
Таунсом с использованием разработок по квантовому усилению Н.Г.Басова и А.М.Прохорова, за что им в 1964 г. была вручена Нобелевская премия.Лазеры имеют целый ряд преимуществ по сравнению с нелазерными источниками света. Излучение лазера когерентно, тоесть фотоны, излучаемые лазером, идентичны по фазе, амплитуде, направлению распространения. Поэтому оно монохроматично, может иметь очень высокую интенсивность и узкую направленность.Для создания лазера необходимо наличие трех элементов:1.
активной среды;2. источника энергии, создающего инверсную населенность;3. оптического резонатора.Активной называется среда, способная усиливать проходящий через нее свет, то есть среда с инверсной населенностью.Источник энергии может иметь различную природу: вспомогательное оптическое излучение, электрический разряд, энергия химической реакции и др.Оптический резонатор. Оптический резонатор образуетсядвумя параллельными зеркалами (З1 и З2 на рис. 5.4) и представляет собой многолучевой интерферометр (интерферометр ФабриПеро).
Атомы активной среды могут спонтанно излучать фотоныв произвольном направлении. Часть этих фотонов распространяется параллельно оси резонатора. Эти фотоны по мере распространения могут вновь взаимодействовать с атомами активнойсреды. В процессе индуцированного излучения каждый фотонвызывает излучение еще одного фотона, поэтому число фотоновпо мере распространения света, все время удваивается, образуялавину, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие междуизлучением и поглощением.63Одно из зеркал резонатора имеет коэффициент отраженияблизкий к единице, вторезонаторðåçîíàòîðрое является частичноhhνпрозрачным.Наличиечастичнопрозрачногозеркала позволяет опреàêòèâíàÿ средаñðåäàактивнаяделенной доли излучения (лазерное излучение)ЗÇ1ЗÇ211выходить из резонатора.íàêà÷êàнакачкаДругая часть излученияРис.5.4вновь отражается и проходит через активную среду.
Этот процесс повторяется многократно. При этом приобретаемая световым потоком в активнойсреде за цикл энергия должна превышать полную потерю энергии в резонаторе. Потери энергии в резонаторе складываются изэнергии, поглощаемой активной средой, энергии, выходящей изрезонатора (лазерного излучения) и энергии, теряемой за счетдифракционной расходимости при многократных проходах световой волны вдоль резонатора. Потерю энергии в резонаторепринято характеризовать добротностью Q, определяемую какотношение запасенной в системе энергии к потерям энергии заодно колебание. Как следует из теории колебаний, добротностьопределяет ширину резонансной кривой (для лазера это спектральная ширина его излучения Δνспек).Для возникновения устойчивой генерации в оптическом резонаторе лазера должны образовываться стоячие волны, которыеназываются модами резонатора.
Условие возникновения стоячихволн в резонаторе по сути является условием максимумов интерференции в многолучевом интерферометре Фабри-Перо и можетбыть записано в виде: Δ=2nL=mλ=mc/ν, где m - целое число (разность хода Δ двух волн, возникшая между ними после n проходоврезонатора длиной L, равна целому числу длин волн). Волны, неудовлетворяющие этому условию, гасятся из-за ослабляющейинтерференции.
Поэтому спектральное расстояние между модами равно64с.2nLПолный спектр лазерного излучения представляет собой набор равноотстоящих друг от друга спектральных линий (рис.5.5.), огибающей которых служит спектральная линия исходногоΔν =c2LΔνñïåêспекΔνΔν спекñïåêΔν ìîäΔνмодΔνìîäмодΔνРис. 5.5Рис.
5.6излучателя (атома активной среды) ширины Δνспек. Спектральнаяширина моды Δνмод связана с добротностью резонатора соотношением Δνмод=ν/Q. В зависимости от особенностей активнойсреды и конструкции резонатора параметры излучения могутбыть самыми различными. В частности, если Δνспек < c/2L, излучение будет иметь очень узкий спектр, приближаясь к идеальномонохроматическому (см.
рис.5.6).5.5. Основные типы лазеровСуществует несколько классификаций лазеров. По типу активной среды они делятся на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые; по временным характеристикам излучения − на непрерывные и импульсные. Можно классифицировать лазеры также по типу накачки, по типу резонатора и т.д.В качестве примеров рассмотрим далее твердотельные лазеры на кристалле рубина и алюмо-иттриевом гранате (YAGлазер), полупроводниковый лазер, а также газовый гелийнеоновый лазер. Рубиновый лазер интересен тем, что именно нарубине был в 1960 году создан первый лазер. YAG-лазер − наиболее широко используемый в настоящее время твердотельныйлазер. Гелий-неоновый лазер был первым газовым лазером (1961г.) и в настоящее время он вместе с полупроводниковым являетсяодним из самых распространенных типов лазеров.65Рубиновый лазер.
Рубиновый лазер работает в импульсномрежиме, в качестве источника накачки используется мощная лампа-вспышка с широким спектромизлучения. Активная среда − рубин, представляет собой окисьалюминия Al2O3 (корунд) с небольшой добавкой ионов хромаCr3+, замещающих в решетке корунда ионы алюминия. Ионы хрома находятся в сильном внутрикристаллическомэлектрическомполе, которое, вследствие так называемого эффекта Штарка приводит к существенному уширению ихэнергетических уровней (рис.5.7).Некоторые уровни оказываютсяРис.5.7при этом настолько уширенными,что их называют полосами (например, полосы E3 и E4).
Эти полосы соответствуют зеленой и голубой полосам в спектре поглощения рубина, поэтому их иногда называют зеленой и голубой полосами.Кроме этого в энергетическом спектре имеется узкий энергетический уровень E2, при переходе с которого в основное состояние атомы излучают свет с длиной волны 694,3 нм. Времяжизни атомов на этом уровне порядка 10-3с, что соответствуетширине спектральной линии 0,4 нм.Излучение лампы-вспышки поглощается ионами хрома, переходящими в результате этого на энергетические уровни E3 и E4в области полос поглощения.
Однако с этих уровней они оченьбыстро безизлучательно переходят на уровни E2. При этом излишек энергии передается кристаллической решетке. Посколькувремя жизни уровня E2 достаточно велико, на нем накапливаютсявозбужденные атомы, создавая значительную инверсную населенность относительно уровня E1.Лазер на алюмо-иттриевом гранате. Очень часто в YAGлазере используется режим модуляции добротности. Модуляция66добротности используется для задержки начала генерации светового импульса с целью увеличения числа атомов, участвующихпочти одновременно в усилении светового потока. Для этого увеличивается порог генерации лазера и уменьшается его добротность. Этого можно добиться, помещая ячейку Керра [1] совместно с поляризатором в резонатор лазера. Поляризатор обеспечивает генерацию излучения лишь определенной поляризации, аячейка Керра ориентирована так, что при поданном на нее напряжении она не пропускает свет с этой поляризацией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
