Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 10
Текст из файла (страница 10)
С помощью таблицы 2.1 для времени жизни т,, можно вычислить некоторые линии важнейших лазеров. Наблюдаемая ширина полос (см. таблицу 2.2) оптических переходов значительно больше, так как уширению линий способствуют еще и некоторые другие процессы. Столкноеителвное уширение Упругие столкновения между газовыми частицами также приводят к однородному уширению. Поскольку число столкновений возрастает с повышением давления, то в данном случае можно говорить об уширении с повышением давления. При упругом столкновении в процессе испускания происходит изменение фазы излучаемой световой волны. При этом возникают конечные цуги волн длительностью та в которых фаза постоянна.
На основе фурье-анализа для спектра частот получается лоренцева линия. Полуширина линии Лг", выражается через среднее время между двумя столкновениями те При т, =т,=т, находим из (2.19): с)7; = 1 (2.21) ят Пользуясь законами термодинамики, удается определить продолжительность столкновения и, следовательно, сгг;, а именно следующим образом: Г3 (2.22) 'г 4т/с7' где и есть масса атомов или молекул, су — их диаметр, /с= 1,3807 1О-" ДжггК вЂ” постоянная Больцмана и Т вЂ” абсолютная температура.
Столкновительное уширение дгз пропорционально давлению газа р. Как правило, столкновительное уширение су; значительно больше естественного ушнрения линии сгг„' Для гелий-неонового лазера получаем: Ы'„= 10 МГц и Л(;=100 МГц. Столкновительное уширенне в твердых телах основано на взаимодействии с колебаниями кристаллической решетки (фононами) и также приводит к образованию лоренцева профиля. Такое уширение можно наблюдать, например, в рубиновых лазерах нли в лазере на Мс): ИАГ (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом) — см.
таблицу 2.2. (~2 Г гр Таблица ЗД. Примеры ширины линий лазерных переходов Тип лазера Длины волн (мкы) Ширина линий Механизм уширения 0,6328 Доплеровский, неоднородный Доплеровский, неоднородный Перекрываюшнй колебательный уровень 1,5 ГГц 0,488 4 ГГц 0,248 10,6 1О ТГц 60 МГц 4 ГПг 150 ГГц 80 ТГц 330 ГГц 120 ГГц 7500ГГц 0,6 0,694 1,06 1,06 0,89 10 ТГц Доплеровское уширение Неоднородное доплеровское уширение выражается через сдвиг частоты, обуслов- ленный скоростью атомов или молекул (эффектДоплера). Если излучаюший атом движется со скоростью ц «с в направлении детектора, то наблюдается следующая частота('„: 7'„=7гг (1+ ггг'с), (2.23) гдеу; г есть частота покояшейся частицы.
Знаки «+» или « — » показывают, направляется ли данная частица к детектору или в сторону от него. При тепловом равновесии в газах действует распределение скоростей Максвелла. Каждая частица обладает своей скоростью и имеет, следовательно, отличную от других частоту излучения (рис. 2.4).
Из распределения по Максвеллу вытекает функция формы линий (см. задание 2.9). Она имеет гауссов профиль и выражена через: ,г гор (2.24) Для полуширины линии получаем: ы = — "~1~Т1 гг е где г)у составляет, например, 1,5 ГГц для гелий-неонового лазера и, значит, гораздо больше естественной ширины линии гзг' и столкновительного уширения ф; При равной полуширине линий гауссов профиль в зависимости от частоты обнаруживает более крутое падение, чем кривая Лоренца (рис.
2.3). (2.25) Гелий-неоновый лазер — температура газа 300 К Ионный аргоновый лазер — температура газа 2000 К Лазер на экснмере Кгр СО,-лазер — 1О мбар, 300 К вЂ” 1 бар — 1О бар Лазер на красителе й(гбО Рубиновый лазер Хд; ИАГ-лазер Лазер на стекле, легированном )эд Полупроводниковый лазер Орлз Доплеровский, неоднородный Столкновнтельный, однородный Перекрывающий вращательный уровень Перекрывающий колебательный уровень Колебания решетки, однородные Как у рубинового лазера Эффект Штарка из-за статистических электрических полей, неоднородный Энергетические зоны электронов в периодическом поле кристалла Г12 о — 1(п — — ~ рис. 2.4. Доплеровское распределение Прочие механизмы уширения Для стеклянных лазеров немаловажное значение имеет неоднородное уширение на основе пространственно неоднородных кристаллических полей (см, таблицу 2.2), которые по-разному воздействуют на внедренные атомы (например, редкие земли).
Это приводит к сдвигу частоты в результате статистического эффекта Штарка. В полупроводниковых лазерах уширение можно обьяснить структурой зон, причем ширина выражается через распределение энергии электронов и дырок. Обычно одновременно действует несколько механизмов уширения. Естественной шириной линии при этом в болыпинстве случаев можно пренебречь. Улазеров на стекле имеют место преимущественно столкновительное и доплеровское ущирения, причем в случае пониженного давления преобладает доплеровский механизм. В твердотельных лазерах чаще всего встречается однородное уширение в результате колебаний кристаллической решетки либо неоднородное уширение на основе статистического эффекта Штарка.
У красителей обнаруживается особенно широкая однородная линия, так как расположенные вплотную друг к другу колебательный и вращательный уровни уширяются в силу взаимодействия между молекулами. 2.5. Создание и уменьшение инверсной населенности Усиление света и, следовательно, генерация лазерного излучения возможны только при наличии в величинах населенности определенной инверсии (Лг, > Л',). Разные способы накачки с целью создания инверсии будут представлены здесь лишь в кратком изложении, а более подробное описание вы найдете применительно к определенным типам лазеров.
В случае стеклянных лазеров для накачки прибегают обычно к помощи специальных механизмов газового разряда. При этом энергия в результате электронных или атомных столкновений передается на верхний лазерный уровень. Если используется газ только одного вида (как, например, в ионном лазере на инертном газе), то возбуждение происходит непосредственно при столкновении (М Г ° 2.П ц у. Насыщение усиления В случае инверсной населенности (Ж, > Ж, ) происходит усиление света, излучаемого в среду с частотой в пределах ширины линии.
Коэффициент усиления я указан в уравнении (2.15) для варианта с низкой интенсивностью света. При излучении света более высокой плотности мощности 1 верхние уровни опустошаются тем сильнее, чем больше 1. Это приводит к снижению усиления, которое при однородном насыщении выражается через (рис.2. 5 и 2.6): А (2.26) 1ь 1/1 где я, есть усиление при очень малой интенсивности (1= 0), а 1, обозначается как интенсивность насышения. С помощью скоростных уравнений (2.43) легко вычисляется 1,: ((1' 5 омт (2.27) 9 9О'2 5 Рис. З 5. Зависимость коэффициента усиления от интенсивности электронов. При наличии же газов нескольких видов (как, например, у гелий- неонового лазера) можно использовать резонансную передачу энергии между различными атомами (столкновение 2-го рода).
При этом считается благоприятным, когда один атом обладает долгоживушим состоянием, от которого резонансно возбуждается верхний лазерный уровень другого атома. Среди прочих способов для лазеров на стекле можно назвать накачку на основе химических реакций (как, например, у НГ-лазеров), газодинамических процессов (например, в случае специальных СО,-лазеров) или (используемую, правда, крайне редко) световую накачку. Для твердотельных лазеров и лазеров на красителях характерна оптическая накачка. Источник света накачки должен обладать высокой плотностью энергии излучения в спектральной области, приводящей к возбуждению верхнего лазерного уровня.
Для этой цели используются лампы-вспышки, разныелампы непрерывного горения, а также другие лазеры. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется посредством электрического тока, причем электроны инжектируются в верхнюю валентную зону, представляющую собой верхний лазерный уровень. 2.5.Е д у р 5Д Рие. 2.6. Однородное насыщение профиля линии Расчет с помощью уравнений (2 26) и (2 27) приводится в задании 2.! 1. Примером наступления однородного насыщения является варианте естественной шириной линии. При повышении интенсивности 7обнаруживается равномерное, однородное насыщение профиля линии (рис.2.6).
Подобную характеристику демонстрируют и линии, уширенные в результате колебаний кристаллической решетки, например, у лазеров на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом, и у лазеров на рубиновом стержне. Иной будет характеристика насыщения при неоднородном уширении линий, например, при доплеровском уширении. Каждый атом (молекула) в газе отличается определенной скоростью дз, которая может измениться с течением времени. На основе эффекта Доплера образуется относящаяся сюда частота переходау; Если теперь излучается свет с определенной частотой уы возникает взаимодействие с атомами подходящей скорости и, соответственной, частоты, что приводит в итоге к селективному уменьшению усиления в области частоты излучения (эффект выгорания провалов, рис.
2.7). Ширина провала находится в зоне естественной ширины линии Лу„или ширины столкновения Лу, если последняя больше. Этот провал вновь заполняется после выключения интенсивности. Описанная характеристика имеет место у газовых лазеров, например, в гелий-неоновом исполнении. учения яучеиием 12 Рис.т.у. насыщение при неоднородной линии (спектральпое выгорапие провалов) (И С ° г.щ щ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
