Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 46

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 46)

церхннй уровень 3 на самом леле представляет собой достаточно широкую полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней. Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть мета- стабильным уровнем. Это означает, что переход 2-+1 в такой системе запрещен законами квантовой механики.

Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода. Правила отбора не являются правилами абсолютного запрета перехода 2 — ь1. Однако их нарушение для некоторого квантового перехода значительно уменьшает его вероятность. Попав в такое метастабильное состояние, атом задерживается в нем. При этом время жизни атома в метастабильном состоянии (-10 с) в сотни тысяч раз превышает время жизни атома в обычном возбужленном состоянии (-10 с). Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией Е2. Поэтому на достаточно большое с точки зрения атомных процессов время удается создать инверсную заселенность уровней 1 и 2. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой.

Существуют различные физические механизмы накачки. В рубиновом лазере (Рис. 5.19) используется импульсная оптическая накачка. Для этого кристалл рубина освещается ксеноновой газоразряд"ой лампой, работающей в импульсном режиме. длительность вспышки имеет порядок 10 3 с, а мощность накачки в одном импульсе составляет десятки миллионов ватт. За счет прохождения импульса тока через газовый промежуток ксенон нагревается до нескольких тысяч градусов и испускает мощный световой импульс, содержащий оптическое излучение различных длин волн. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина с лампой накачки помещают в фо кусе эллиптической полости с хорошо отражающей внутренней поверхностью.

Лампа накачки Зе Рис. 5Л9. Основные элементы рубинового лазера Поглощая 10 ... 15 % лучистой энергии этого излучения, атомы хрома переходят в возбужденное состояние с энергией Ез (1 — ~ 3 на рис. 5.18). Время жизни таких возбужденных атомов меньше 10 ~ с. За это время атомы хрома переходят на более низкий мета- стабильный энергетический уровень с энергией Ез.

Такой переход 3-+ 2 является безызлучательным, т. е. происходит без испускания фотона, а избыток энергии при этом передается от атома хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2. На зто время рубиновый стержень превращается в активную среду, которая может усиливать вынужденное излучение с длиной волны Х = 694,3 нм, соответствующее переходу 2-+1. Если в результате спонтанного перехода вблизи левого торца стержня вожжается фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный.

Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер. В результате вынужденное излучение с длиной волны 1=694,3 нм (красный свет), распространяясь вдоль оси рубинового стержня, усиливается. 310 д того чтобы такой оптический усилитель превратить в опческии генератор когерентного лазерного излучения, необходи- обеспечить положительную обратную связь, т. е.

усиленный „ок излучения снова направить в активную среду. Такую обратю связь обеспечивает оптический резонатор, состоящий из двух строго параллельных плоских зеркал (см. Рис. 5.19), расположенных вблизи торцов рубинового стержня. Отражающими зеркалами могут служить и хорошо отполированные и посеребренные торцы самого кристалла.

Отражение излучения от двух параллельных зеркал оптического резонатора приводит к тому, что в нем могут существовать лишь такие электромагнитные волны, для которых выполняется условие образования стоячей волны: 21=тХ, т=1, 2, ... Здесь 1 — размер оптического резонатора, т. е. расстояние между зеркалами. Такие резонансные колебания в оптическом резонаторе лазера называются модами.

В наиболее 1 благоприятном режиме усиления оказываются моды, частоты которых находятся вблизи вершины спектральной линии излучения активной среды (рис. 5.20). Более «з удаленные от вершины моды при Рис. 5.20. Спектральная линия генерации лазерного излучения активной среды (1) и моды опподавляются. д ютсЯ. В РезУльтате лазеР тического резонатора (2) испускает когерентное излучение, Распространяющееся вдоль оси оптического резонатора и содержащее несколько мод излучения, частоты которых располагаются на равных расстояниях друг от друга. Каждая из таких спектральных линий не является строго моно- хроматической. Ее ширина зависит от добротности оптического Резонатора, определяемой потерями энергии излучения.

Причинамн таких потерь, уменьшающими добротность резонатора и приводящими к уширению линий излучения лазера, являются непаРаллельность зеркал, спонтанное излучение, поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах и других элементах. При уменьшении таких потерь энергии излучения, а также при увеличении расстояния между зеркалами ширина спектральных линий 311 отдельных мод уменьшается, достигая значений, в несколько раз меньших естественной ширины спектральных линий, испускаемых обычными источниками. Таким образом, лазер испускает интенсивный световой пучок с чрезвычайно высокой монохроматичностью, которая не может быть достигнута другими методами. Для улучшения когерентных свойств излучения лазера следует добиваться режима генерации только с одной модой.

Такой одномодовый режим удается осуществить, вводя в резонатор дополнительные элементы (оптические призмы, дифракционные решетки и др.), выделяющие одну из мод резонатора и подавляющие все остальные. В обычном свободном режиме генерации одно из зеркал, например зеркало 2, делается полупрозрачным. Поэтому после многократного отражения от зеркал и усиления лазерный пучок становится достаточно интенсивным и получает возможность выхода через полупрозрачное зеркало.

Затем следует новая вспышка лампы накачки, и процесс повторяется. В режиме генерации гигантских импульсов одно из зеркал закрывается оптическим затвором. Задерживая генерацию, такой затвор позволяет увеличить инверсию заселенностей уровней н накопить энергию активной среды. Если затвор открыть, то создаются условия быстрого развития генерации, которая реализуется в виде короткого (20...50 нс) мощного (гигантского) импульса с энергией 1...100 Дж, что соответствует мощности более 10 Вт.

Рубиновый лазер работает в импульсном режиме с частотой порядка нескольких импульсов в минуту. Для отвода теплоты рубиновый лазер приходится охлаждать с помощью жидкого воздуха. К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве активных сред в твердотельных лазерах. Созданы лазеры на итгриево-алюминиевом гранате, александрите, стекле с примесью неодима и на других материалах. В 1961 г. был создан первый газовый гелий-неоновый лазер (А.

Джаван, США). В таком лазере инверсия заселенностей уровней атомов неона создается за счет электрического разряда в смеси газов Не и Хе. При электрической накачке возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронами газоразрядной плазмьь ббрвзующейся в газоразрядной трубке, между электродами которой прикладывается постоянное напряжение 312 2 кВ. Применяются также безэлектродные трубки, в которых воз уэкд озбу-."ается высокочастотный разряд.

Газовый гелий-неоновый лазер работает в непрерывном ре ме генерации, испуская когерентное излучение с длиной волны 1, = б38,2 нм. Мощность такого лазера достигает нескольких десятых долей ватта при КПД 0,1%. Оптимальной генерируемой ,„ощности соответствует диаметр газоразрядной трубки около 7 мм при давлении газовой смеси 1 мм рт. ст. и соотношении Хе и Не в ней 1:10. Наиболее мощными газовыми лазерами являются молекулярные лазеры.

Характеристики

Список файлов книги