Теория к экзамену (1188256), страница 3
Текст из файла (страница 3)
2 — брэгговские зеркала. личие от обычных оптических волноводов)3 — блок накачкии волноводы накачки.Сверхчистый плавленый кварц, который является основным материалом оптических волокон, обладает высокой прозрачностью (оптические потери — несколько процентов на километре длины).Специальные примеси, вводимые в кварц легированием, превращают его в активную среду. Исходяиз требований на частоту излучения (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малуюпороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. (Танина радость) Одним из распространённых типов волокон являетсяэрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит винтервале длин волн 1530—1565 нм.К преимуществам относят (1)площадь/объем резонатора велика => хорошее охлаждение, (2)термостойкость кремния (3)небольшие размеры приборов и (4)легко завести в волокно.Недостатки: (1)опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне, (2)небольшая выходная энергия в импульсе, тк объём активного вещества мал.Волоконные лазеры используются для гравировки и резки металлов в промышленности, длялазерной маркировки товаров, где необходимы большая пиковая мощность коротких импульсов,следующих с заданной частотой.
Так, для пластика и металла используются импульсы 5—10 кВтдлительностью от 10 до 100 нс при частоте следования от 20 до 200 кГц.Лазеры до 60 Вт используются при сварке нержавеющей стали в компонентах электроники имедицинских инструментов толщиной в десятые доли миллиметра.Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконный_лазер210. Газовые лазеры: принципы работы и основные особенности. Типичные значения параметров излучения.∙ Активная среда - газ.∙ Узкие линии (т.к. при низком давлении газа столкновительное и доплеровское уширение малы по сравнению в твердотельными лазерами).∙ Основной тип накачки - электрическая (т.к.
нет сильного доплеровскогоуширения, то нет широких полос поглощения, сл-но, не используется оптическая накачка лампами с напрерывным/импульсным излучением).Электрическая накачка: подаётся напряжение к электродам ⇒ в газе возникает электрический разряд ⇒ соударение атомов газа с электронами ⇒возбуждение атомов газа на высокие уровни ⇒ излучение фотонов ⇒ вынужденное излучение ⇒ генерация, успех.Параметры газовых лазеров [Звелто]He-Ne лазерАнод - кольцо, катод- трубка; между нимивозникает эл.
разряд.Зеркала - на концахтрубки.[Звелто]∙ Генерация происходитна атомах Ne (He нужендля увеличения эффективности процесса).∙ Несколько возможныхчастот - в видимой иИК-области.∙ Выходная мощность∼ 10 мВт.Маломощное когерентное излучение.[Миногин]Накачка происходит за счёт резонансной передачи энергии от He к Ne.С помощью электронов He возбуждается на верхние уровни. Переходы S-Sзапрещены, поэтому He отдаёт энергию двум близким (верхним) уровнямNe, а с них происходит генерация излучения.Особенность: существует оптимальное значение тока накачки, до которого выходная мощность увеличивается с увеличением тока накачки, и послекоторого мощность падает при дальнейшем увеличении тока накачки.Для ИК-линии = 3.39 мкм коэффициент усиления ∼ 1 см−1 , адля красной линии = 0.63 мкм ∼ 10−3 см−1 .Аргоновый лазер∙ Активная среда - ионы + .∙ Много переходов в области 450-520 нм.∙ Выходная мощность ∼ 100 Вт.Конструкция также включает газоразрядную трубку.
Иногда на неё наматывают соленоид, чтобы удерживать ионы в области лазерного поля иувеличить КПД лазера.У резонатора вогнутые зеркала большой кривизны.За счёт столкновения с электронамиионы Ar возбуждаются на уровни4р. Время жизни уровней 4р больше,чем время жизни перехода 4 → 35 .Значит, на 4 → 4 возможна лазернагенерация.
Т.к. уровень 4р вырожден,наблюдается много линий около 450520 нм (наиболее сильная - 490 нм).Для линии = 490 нм коэффициент усиления = 0.02см−1 .Лазер на смеси 2 − 2∙ Столкновение молекул 2 с электронами ⇒ возбуждение колебательных состояний 2 ⇒ резонансная передача энергии возбуждения молекулам 2 ⇒ генерация на ИК переходах между колебательновращательными состояниями 2 .∙ Выходная мощность ∼ 10% от потребляемой электрической мощности.Эксимерные лазеры∙ Рабочая среда - смесь инертных газов (аргон, криптон, ксенон) с галоидными газами (фтор, хлор, бром).∙ Возбуждение электрическим разрядом ⇒ образование электронновозбуждённых эксимерных молекул (ArF, KrF, XeF), распадающихсяза несколько нс обратно ⇒ инверсная населённость за счёт образования возбуждённых молекул.Химические газовые лазеры∙ Экзотермические реакции между газообразными веществами ⇒ образование новых молекул и возбуждение их колебательных уровней ⇒инверсная населённость между колебательными состояниями.∙ Мощность ограничена объёмом активной среды.
Лазер на молекулахDF достигает мощности нескольких МВт в ИК-области.* Источники - Миногин и Звелто, соответствующие разделы про газовые лазеры11. Жидкостные лазеры: принципы работы и основные особенности. Типичныезначения параметров излучения.Краткое саммари__________________________________________________________________________Жидкостные лазеры - лазеры, в которых активная среда представляет собойрастворы соединений органических красителей в жидком растворителе (вода,этиловый/метиловый спирт).Структура уровней органических красителей (электронные + колеб-вращуровни), а также очень малое время безызлучательной релаксации с верхнихколебательных уровней на основной уровень делают органические красителипригодными для четырехуровневой схемы лазера.Наличие долгоживущего триплетного уровня, а также триплет-триплетныхпереходов вносит дополнительные потери и накладывает ограничение на время жизнитриплетного уровня для получения непрерывной генерации.
Для импульснойгенерации длительность импульса накачки должна быть достаточно малой, чтобыбыла значительная населенность, прежде чем она накопится в триплетном состоянии.Для непрерывной генерации пороговая мощность накачки на 3 порядка выше, чем длятвердотельных лазеров.Главные достоинства: лазер перестраиваемый и грубо(сменой красителя), итонко (дифф решеткой, т.к.
ширина полосы излучения - ~ 30 - 50 нм), возможностьполучения фемтосекундных импульсов.Накачка осуществляется лампой или лазером.Характерные параметры: линия генерации - ~ 30 - 50 нм, мощность - ватты(кажется из-за перегрева жидкостей), размеры - стол___________________________________________________________________________С пояснениями (источники: таблица Гладуша + Звелто)Класс красителяОбласть генерацииПолиметиновые0.7 - 1.5 мкмКсантеновыеВидимая областьКумариновые400 - 500 нмСцинтилляторныеУФ диапазон (< 400 нм)Типичная энергетическая диаграмма для молекул красителя; соответствующиемолекулам сечения поглощения и флуоресценции, а также триплет-триплетногопоглощения (Звелто)Характерные особенности флуоресценции молекул красителя:1.
Стоксово (в красную сторону) смещение флуоресценции относительно поглощения2. Не разрешимые при комнатной температуре вращательно-колебательные уровни, сильноеуширение линий (какое?) ведут к широким бесструктурным спектрам поглощения ифлуоресценции3. Переход с верхнего синглетного состояния S_1 происходит всегда с нижнегоколебательного уровня на какой-либо колебательный уровень S_0 (время релаксации сверхних колебательных уровней S_1 на основное состояние очень маленькое ~ 10−13 с),излучательное время жизни очень невелико - несколько нс4. Из-за спин-орбитального взаимодействия возможен переход S_1 → T_1(безызлучательный!) (синглет-триплетная конверсия) за время ~ 100 нс.5. Время жизни T_1 велико (сильно больше остальных времен релаксации).6.
Переход T_1 → T_2 оптически разрешен и, более того, в том же диапазоне длин волн, что ивынужденное излучениеТаким образом, эти особенности приводят к тому, что жидкостные лазеры работают почетырехуровневой схеме, где3 - это верхние колебательные состояния S_1,2 - основное колебательное состояние S_1,1 - одно из колебательных состояний S_0,0 - основное состояние S_0Однако есть проблемы при получении генерации:1. Сечение перехода σ ~ 10−16 см^2 велико, но τ ~ 1 нс мало, произведение στ на 3 порядкаменьше, чем для твердотельных лазеров, а пороговая мощность накачки для непрерывнойгенерации ~ (στ)^(-1) ⇒ большая2.
Потери из-за триплет-триплетных переходов накладывают на время жизни Т_1 условие дляполучения непрерывной генерации τ_Т < σ_e/(σ_T k_ST), k_ST - скорость синглет триплетной конверсии ⇒ должно быть малое время жизни триплетного состоянияИмпульсная генерация была получена на многих красителях, накачка для импульсной генерациилибо импульсной лампой (длит. имп. менее 100 мкс), либо лазером.Главные достоинства: можно перестраивать длину волны (грубо - сменой красителя, тонко впределах полосы излучения ~ 30 - 50 нм - дифф решеткой), а также можно получатьфемтосекундные импульсы.ВВЕДЕНИЕИз курса квантовой механики мы знаем, чтоУРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЕ МАТРИЦЫ ПЛОТНОСТИОтсюда видно, что неплохо было бы знать .Этим изаймемся.Опуская выкладки, получаем для недиагональныхэлементов(обратите внимание, тут появилосьА для диагональных,)(,это РЕЛАКСАЦИОННОЕ ВРЕМЯ,полученное в качестве замены.
Индекс еозначает, что это диагональный элемент матрицыплотности взятый в равновесном случае. Знаменательпредставляет собой вероятность перехода j-k в единицувремени)ИТОГ: если объединить 1.36 и 1.30 длято получимИ после всех упрощенийТЕПЕРЬ ПОДРОБНЕЕ ПРО РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ВРЕМЕНА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
