Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 47
Текст из файла (страница 47)
5.20. Спектральная линия генерации лазерного излучения активной среды (1) и моды опподавляются. В ° В Результате лазер твческого 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. Причинами 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 и 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, алексаидрите, 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 Ие. При электрической накачке возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронами газоразрядной плазмй, образующейся в газоразрядной трубке, между электродами которой прикладывается постоянное напряжение 312 кВ Применяются также безэлектродные трубки, в которых воз уэлд бу--"ается высокочастотный разряд.
Газовый гелий-неоновый лазер работает в непрерывном режиме генерации, испуская когерентное излучение с длиной волны 1 - б38,2 им. Мощность такого лазера достигает нескольких десятых до ых долей ватта при КПД 0,1%. Оптимальной генерируемой мошно ощности соответствует диаметр газоразрядной трубки около т мм при давлении газовой смеси 1 мм рт. ст. и соотношении Ме и Не вней 1:10. Наиболее мощными газовыми лазерами являются молекулярные лазеры. Так, например, в газоразрядных СОз-лазерах электроны в тлеющем разряде возбуждают колебательные уровни молекул СОз и Хз.
В мощных СОз-лазерах используется непрерывная прокачка газа. Быстропроточные СОз -лазеры генерируют излучение с длинами волн 9,4 мкм и 10,6 мкм. Их мощность достигает десятков киловатт при КПД около 20% . В газовых молекулярных лазерах для создания инверсии заселенностей энергетических уровней кроме электрического разряда могут использоваться и другие способы. Так, например, в газодинамических лазерах активная среда создается при адиабатическом охлаждении газовых масс. При расширении нагретого газа 1Т = 1000 ...
2000 К) в сверхзвуковом сопле газ быстро охлаждается. В таких условиях быстрее теряют энергию молекулы газа, находящиеся в состояниях с меньшей энергией. Это приводит к инверсии заселенностей энергетических уровней молекул СОз, ХОз и СЯз. Газодинамические лазеры в непрерывном режиме генерируют мощности до сотен киловатт. Возможно создание газовых лазеров, в которых инверсия заселенностей энергетических уровней образуется при протекании химических реакций в объеме активной среды. Большинство химических лазеров работают на колебательных переходах двухатомных молекул. Наиболее мощные химические лазеры, работающие на основе цепной реакции фтора с водородом, обладают выходной мощностью в несколько киловатт и КПД 2...4 % Н Г. Басовым были предложены лазеры, работающие на основе Р— л-переходов в полупроводниковых материалах.
Впервые та- 313 кой полупроводниковый лазер был изготовлен на основе полупроводникового кристалла арсенида галия ОаАз. В качестве накачки в таких лазерах используется инжекция электронов через р — л переход либо его электрический пробой. Особенностями полупро водниковых лазеров являются их компактность (размер несколько миллиметров), высокий КПД (до 50 % ), возможность перестрой ки частоты генерации в широком спектральном диапазоне 0,3 ...
30мкм. Приборы квантовой электроники — мазеры и лазеры — произвели настоящую революцию в конце ХХ в. в физике, технике и технологиях. Отметим только некоторые области применения этих приборов. Сварку, резание и плавление металлов осуществляют с помощью газовых лазеров. Лазеры применяют в медицине как бескровные скальпели. Когерентное излучение лазеров лечит глазные, кожные и другие болезни.
Сверхкороткие лазерные импульсы нашли применение в оптических линиях связи. Сверхстабильные мазеры и лазеры являются основой стандартов времени н частоты. Лазерные локаторы могут контролировать распределение загрязнений в атмосфере. Лазерная локация космических объектов способствовала созданию систем космической навигации, позволила уточнить характеристики движения планет. Лазерное излучение используется и для управления движением ракет. При воздействии на мишени излучением мощных лазеров получают высокотемпературную (-10 К) плазму.
Таким способом может быть решена 7 проблема управляемого термоядерного синтеза. И это далеко не полный перечень применения приборов квантовой электроники. С появлением лазеров связано зарождение новых разделов физики — голографии, нелинейной оптики, квантовых компьютеров и др. Физики обсуждают возможность применения рентгеновских лазеров, схемы которых прорабатываются уже сейчас в физических лабораториях.
А ведь можно в рамках научной фантастики предсказать и существование космических гамма-лазеров. Бурное развитие квантовой электроники базируется на идеях, высказанных еще в первых работах Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и Ч. Таунса. Вот почему именно этим ученым за фундаментальные исследования в области квантовой электроники в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. 314 ча 5.9.
Плотность потока энергии излУченим лазера Равна 10мВт1м~, Определите амплитуду напряженности электрического поля такой электРомагнитной волны. решении По формуле Пойнтинга для среднего значения плотности потока энергии электРомагнитной волны Ест ас Ео аосЕс 2 2 Но находим амплитудное значение напряженности электрического поля Подставляя заданное значение плотности потока энергии, получаем 2 10" Ес = — — 8,7 10 В/м.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
