А.Н. Матвеев - Оптика (1120557), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Созлазше инверсией заселенности. Инверсной заселенности энергетических уровней 'можно добиться с помощью некоторого воздействия на атомы, независимого от усиливаемого света. Наиболее простой пуп созлания инверсной заселенности осуществляется в трехуровневых системах (рис. 275). На рис 275га изображено распределение заселенностей в равновесном состоянии системы.
При воздействии на систему излучением большой мощности с частотой аэч =(Е* — Ео)/Л заселенности уровней Еа и Е, при выполнении условия (51.17) практически сравниваются. Допустим, что время ясизни атомов. на уровне Ез очень мало и они спонтанно переходят на уровень Е„время жизни на котором у них достаточно велико. Ясно, что'атомы на уровне Е, будут накапливаться, в результате чего создается инверсная заселенность между уровнями Е, и Е, (рис.
275, б) Этот переход может быть использован для усиленна света с частотой аз = (Е, — Ео)/Ь. Еа б /Уз ~о /»»» б 27б Сознание вкверсвей заселенности в зрехуровиевай системс» ю — иор- мвльиав заселенность; б — кивер. слюн О Прн каких условнюх свет прн прохождении через среду аслабливтсн» проходит без ослаблению» усилнвавтси» Как «тн условию реапнзумтсы Опнмкте трехуровневый иеханизн создании инверсной ° аселеннасти уровней.
Какие при зтон требованил предьювлаютсю к знергетнческнн уравнен» $52 Лазеры Рв««ызтриввют«и принципы и тзрзит«ристиии рабаты ивэсрав. Принципиальная схема лазера. Среда с инверсной заселенностыо, способная усиливать проходящий через нее световой поток, называется активной. Заполним пространспю между пластинами интерферометра Фабри — Перо активной средой (рис. 27б). Между последовательными отражениями от зеркал при прохождении через активную среду световой поток усиливается.
Эта система образует активный оптический резонатор. Усиление потока при прохождении через активную среду происходит в соответствии с формулой (51.8). При отражении от зеркал излучение частично ослабляется. Одно из зеркал делается с максимально возможным коэффициентом отражения, а через другое зеркало свет в определенной пропорции выходит из системы, образуя ее излучение, которое называется лазерным. Кроме потерь света при отражении от зеркал имеются потери за счет рассеяния в среде и других днфракцнонных эффектов. Дла Работы системы в качестве генератора света необходимо обеспечить опренеленньш баланс между усилением светового потока при прохождении черш активную среду и ослаблением за счет всех факторов, включая само лазерное излучение.
Порог генерации. Элементарный цикл работы лазера включает два последовательных прохождения через активную среду н соответствующие отражения от зеркал. Потери энергии могут быть учтены эффективными коэффициентами отражения р, н рэ на зеркалах, причем онн учитывают не только отражения от зеркал (вообще говоря, различные, поскольку через одно из них из лазера выходит излучение), но и другие потери, о которых говорилось выше.
Таким образом, р, и рэ меньше коэффициентов отражения только от зеркал резонатора. За один цикл происходят два отражения света и, следовательно, ослабление потока пропорционально р,рэ. За один цикл свет в активной среде проходит путь 2Е. Поэтому на основании (51.8) усиление потока за цикл пропорционально ехр(п2Е), где и — значение коэффициента усиления (51.2) за цикл Полное усиление плотности потока энергии за один цикл описывает«ж формулои 5 = яир1 рэеэ"г, (52.1) где Яи — плотность потока энергии в начале цикла (за начало цикла можно взкгь любой момент времени). Перепишем (52.1) в виде о =о еыг эГ (52.2) 27'= — (п (р ~ рг) .
(52.3) Из (52,2) видно, что генеРация лазерного излучения начинается тогда, когда приобретаемая световым потоком в активной среде энергия за цикл превосходит потери энергии„включая энергию покинувшего систему лазерно~о излучения. Па пороге генерации плотносп, потока энергии в системе не столь велика, чтобы изменить заселенность уровней, и поэтому для порога Гемерацни лазерного мзлученми начннавтсв лиюв тогда, когда передаваенпв в резонаторе за цмкл звертив ат актнвнай среды в световой пото» начннает правосиодптв суннарные потери снегового потока в резонаторе, включи» знергню, уноснную лазернмн излучением. Количественно начало генерацн» лазерного излучении иарактернзуетсв успением порога гвнерацнн.
(52»4) по/. =/. 276 Принц»пи»лик»и схема лазера (52.5) 277 Имоулясияя инке»к» позер» (»упи- т»риза линце — »мну»»с накаЧки; сил»ми»и — имвулзс излучении! (52.б) (52.7) (н:/2)о/. (1 — е зг), (52.8) 278 Модулниив добротности вращаю- щейся призмой (гг/2)су,(! — е зг) 2Д/и. (52.9) акб 2й т ('.у (52.10) и ч!Т/2 72 О Каное 4»и»ческий снысл порога генерации н условия стационарной генерацн».
В чен состоит »стад надупяцни дабротност» дл» увели»внял мощности из»учен»я! генерации можно считать и =п,„где па — коэффицнщзт усиления в отсутствие светового потока. Следовательно, на основании (52.2) условие порога генерации имеет вид %52 Условия стацаонарней геиерацивс При стационарной генерации потери энергии компенсируются за счет энергии, полученной световым пучком ст активной среды.
Стационарная тенерация может осуществляться при значительных плотностях потока энергии, поэтому в качестве и следует взять его значение при наличии потока. Условие стационарной генерации имеет виц Добрвтяость. Поскольку лазер представляет собой оптический резонатор, в теории лазеров широко исполъзуетоу терминология теории колебаний Потерю энергии за период колебанай принято характеризовать добротностью — отношением запасенной в системе энергии И' к потерям энерпгн за одно колебание ЬИг: Д = Иг/сз И'. Запасенная в системе энергия равна Иг = нпЕ, где и — площадь поперечного сечения лазерного пучка Потеря энергии за один цикл составляет гле учтено, по объемная плотность энергии гт складывается из равных объемных плотностей двух потоков энергии, движущихся в противоположных направлениях. Учитывая, что продолжительность одного цикла равна 2Е/ц и обозначая период лазерного излучения через Т=2я/(щ, находим, что потеря энергии за одно колебание выражается формулой где ехр( — 2/) 1 — 2/; поскольку г" < !.
Отсюда по формуле (52.6) находим где гл =2Е,Д. = /./(Х/2) — ' число стоячих полуволн в резона- торе, Х вЂ” длина волны излучения. С помощью (52.10) условие (52»4) выражается особенно наглушно: по)/2 = 1/Д т. е. для осуществления генерации необходимо, чтобы усиление на пути в половину длины волны было равно (нлн больше) величине, обратной добротности.
Порог генерации тем выше, чем меньше добротность. Добротность же тем меньше, чем больше потери. Поэтому для осевых лучей порог генерации достигается раньше и энергия в излучении лазера уноситш преимущественно ими. Это означает, что излучение лазера сосредоточено в узком параллельном пучке лучей, угол расходимосги которого обусловливйется главным образом дифракцией.
Непрерывные и импульсные лазеры. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой. Накачка лазеров может быть самой разнообразной и будет рассмотрена в связи с конкретными типами лазеров. По характеру зависимости накачки от времени оиа может быль непрерывной и импульсной. Если накачка осуществляется импульсами, то и излучение лазера импульсное.
После начала импульса накачки начинает изменяться заселенность уровней. Когда достигаются условия порога генерации (52.4), начинается непускание лазерного излучения (рис..277). Прн непрерывной накачке, которая постоянно обеспечивает соблюдение условия (52.5), излучение лазера непрерывно. Следует, однако, отметить, что при непрерывной накачке возмо. жен также импульсный режим излучения, так же как возможно излучение нескольких импульсов излучения при одном импульсе накачки. Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока в резонаторе лазера за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительносгь импульса. Метал модулированией добротности.
Чтобы'увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Это можно сделать посредспюм увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшат добротность системы. Если при такой агтуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность снстемы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной.
Поэтому мощносзь излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности. Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенносп, изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от мноыж факторов, но обычно составляет 10'— 10 вс.
Очень распространено модулнрование добротности с помощью вращающейся призмы (рис. 278). При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль осн резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц Импульсы лазернопз излучения имеют такую же частоту, хотя длительность каждого импульса составляет 10 — 10 с. Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (см. 8 45).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
