Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 171
Текст из файла (страница 171)
Мощность рубинового лазера в ннпульсе равна йт = !00 МВт. Площадь поперечного сечення рубинового стержня 3 = ! сыз. Опекать напряженность Е влектрнческага паля н давление света в лазеРном пучке, считая ега строго пласкапараллельныы (Х = 694,3 нн).
Как нзненятся этн велнчнны, если пучок сфакуснравать ндеадьаай линзой с факуснын расстаяннем 1 = 5 сыу р е щ е н н е,Напряженность электРнческата паля Ее в неа~юкуснраваннан пучке оценим па формуле с с— Езс 4 1 722 [гл. х! лАзеРы и нелинейнАя оптикА а давление излучения йза — по формуле бза = йт/(с5). Таким путем находим Е»~Р Ез У вЂ” 647 СГСЗ=!,94 ° !Оз В/см, / 4пйг с5 Уа — З,З !Оа дин/сиз=О,ОЗЗ атм. Для расчета соответствующих величаи в фокусе можно пользоваться теми же формуламн, вычислив предварительно ширину пучка.
Для оценки будем считать, что весь свет концентрируется в пределах центрального светлого кружка с радиусом /! = 0,6! /Х/г и площадью и/7э = и (0,6 1/Л/г)з = (0,6! и/А)з/5, где г — радиус поперечного сечения падающего пучка. Эту плошадь и надо под- ставить в предыдущие формулы вместо 5, В результате получим Е Р Еэ — Еэ=1,6 !0»Ее=2,9 !Оа В/см, г= 5 0,6!и/А 5 13 = 061ч/з) э= ' а— Такое давление было бы, если бы пучок лазерного света фокусировался в ва- кууме, Если же он падает на вещество, то иэ-за балыпой концентрации энергии вблизи фокуса происходит практически мгновенное испарение вещества (с пре- вращением его в плазму). С этим связано еще большее повышение давления.
2. Эффективной температурой Тэь лазерного излучения называется такая температура абсалюпю черного тела, при которой оио дает излучение той же удельной интенсивности /» частоты », что и лазер, Оженить эффективную тем- пературу гелий-неонового лазера, генерирующего в непрерывном режиме свет с длиной волны Х = 632,8 нм (» = 6.!Оы Гц.) Ширина спектральной линии гене- рируемого света б» = 10' Гц, расходнмость светового пучка 60:ы 1' = 3 10-' рад, мощность излучения П' = 10 мВт. Р е ш е н и е.
Удельная интенсивность лазерного излучения / = йу/(б» б(!), где б!1 = (66)' = 1О т ср — телесный угол, определяющий расходимость свето- вого пучна. По формуле Рэлея — Джинса 2й»в / = — Т Приравнивая это предыдущему выражена|о, получим сЧр Т»Ф 2/ зб, б!) — !Π— К чта примерно в !Он раз превосходит температуру Солнца, й 122, Гелий-неоновый лазер 1. Энергетический спектр газов, во всяком случае при тех давлениях, которые применяются в рекламных трубках и лазерах, весьма точно совпадает с энергетическим спектром изолированных атомов и молекул, из которых состоит газ. Поэтому спектральные линии газов более узкие, чем линии примесей в твердых телах. Газы отличаются высокой оптической однородностью и малой плотностью, а поэтому слабо рассеивают и искажают волны, распространяющиеся в них.
Все это позволяет использовать в газовых лазерах большие расстояния между зеркалами и получать острую ниправ- ГЕЛИН.НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР 2 1221 ленность, высокую монохроматичность и стабильность частоты излучения. Так, в гелий-неоновом лазере реально получаемая расходимость пучка лучей обычно составляет 1 — 2', а в лучших случаях достигает теоретического предела 66 ).!О 20".
Относительная шипина спектральной линии в излучении такого лазера йьз!сь - 10- ' — 10 ", а сама частота м в оптимальных условиях поддерживается с относительной точностью 10" (хотя в обычных условиях относительная точность не выше 10 "). Однако при малой плотности газов в них нельзя получить столь же большие концентрации возбужденных атомов, а потому и столь же большие импульсные мощности излучения, как в твердых телах. Так, выходная мощность гелий-неонового лазера в непрерывном режиме обычно составляет от десяти до нескольких сот милливат. Однако, ввиду высокой монохроматичности и направленности излучения, эта величина все Зке громадна по сравнению с тем, что могут дать тепловые источники света. Оиа соответствует эффективной температуре излучения, превышающей температуру Солнца примерно в 10" — 10" раз (см.
задачу 2 к предыдущему параграфу). Впрочем, в непрерывном режиме инфракрасный лазер на СО, может генерировать до 10 кВт, а ионный аргоновый лазер в видимой области — до 1 кВт. В импульсном режиме мощность этих лазеров может составлять несколько сот киловатт, 2. Первым газовым лазером был селии-неоновый лазер, созданный в конце 1960 г. Джаваном (р. 1926), Беннетом (р. 1903) и Эрриотом. Принципиальная схема гелий-неонового лазера в ее современном виде приведена на рис. 351. Лазер состоит из газоразрядной Рис.
35!. трубки Т длиной от нескольких десятков см до 1,5 — 2 м и внутренним диаметром 7 — 10 мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление 1 мм рт. ст,) и неона (давление 0,1 мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р и Р„ установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала 3, и Зм между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражении и практически не поглощают свет, Пропускаемость зеркала, через которое пре 22в ЛАЗЕРЫ И ИЕЛИИЕПИАЯ ОПТИКА !Тл х1 «3 Г ! ! й!й! Ф)й! фе! "!«! в!й! ! имущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2«з, другого — менее 1",«.
Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1 — 2 кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока, Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллпампер. В первом варианте гелий-неонового лазера, построенном Мейманом, применялась безэлектродная трубка, в которой возбуждался высокочастотный разряд, Лазер может работать и в непрерывном, и в импульсном режиме.
Он генерирует красный свет с длиной волны 632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,150 и 3,390 мкм. Но тогда ! «л«й йелн необходимо иметь торцевые оквз на, прозрачные для инфракрасхгво ного света, н зеркала с высокими коэффициентами отражения в е>! инфракрасной области спектра. взг,в 3, Рассмотрим теперь, как возникает инверсная заселенность атомов неона. Упрощенная схема уровней неона приведена справа на рис. 352.
Выше уровня в« у неона имеется еще 28 уровней с энергией, меньшей й„но они для нас не имеют значения ! и на рисунке не изображены. ! Возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронами газо> разрядной плазл!и. При опреРяс. 352. деленном режиме разряда этот процесс может привести к инверсной заселенности уровней о! и в,. Однако заселенность уровней о! и о„а также уровней о« и Ж> остается неинверсной.
Инверсной заселенности препятствует долгожнвущий метастабильный уровень Жм лежащий немного ниже короткоживущего уровня б!. Заселенность уровня б> велика, за счет этого происходит пополнение быстро опустошающегося уровня Ж„и инверсии заселенности между уровнями 8! и Ж> не возникает. Добавление гелия меняет дело. Из всех уровней гелия, помимо нормального Ж;, для работы лазера имеют значение метастабильные уровни Ж; и в; с энергиями !9,82 и 20,61 эВ соответственно.
Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень Ж; «запрещен>, т. е. происходит с очень малой вероятностью. Поэтому время жизни атома на уровнях 8; и а«очень велико. 725 НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛ11РНЗАПИЯ СРЕДЫ з ил В результате электронных ударов на этих метастабнльных уровнях накапливается очень много атомов гелия. Но уровни гелия б; и б; почти совпадают с уровнями Ж, и ел неона. Благодаря этому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона интенсивно происходят бгзызлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона.
Этот процесс возбуждения атомов неона на рис. 352 символически изображен горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрации атомов неона на уровнях 8, и 6ь сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность по отношению к уровням Ж1 н Фв, а разность заселенностей уровней Ж, и е1 увеличивается в несколько раз. Выясним в заключение влияние столкновений атомов неона со стенками трубки. Такие столкновения практически не влияют на заселенность уровней 8, и 8ь и непосредственно уровня 6„ так как все эти уровни короткоживущиг. За время жизни в возбужденных состояниях на этих уровнях атомы неона практически не успевают доходить до стенок трубки.
Указанные уровни разрушаются значительно раньше. Напротив, на уровне 6, возбужденные атомы живут долго, претерпевая в этих состояниях многочисленные столкновения со стенками трубки. Столкновения разгружают уровень Жм в результате чего атомы неона переходят с уровня в1 на уровень Кв. Опустошение уровня 61 происходит быстрее, чем при заселенном уровне бл. Разница заселенностей уровней 6, и 81 увеличивается, что повышает эффективность работы лазера. Процесс опустошения уровня Ж1 происходит наиболее эффективно при некотором оптимальном диаметре трубки. Опыты показали„ что максимальная мощность гелий-неонового лазера достигается при диаметре трубки 7 мм. При ббльших диаметрах мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа (объем трубки пропорционален квадрату ее диаметра). Это связано с тем, что эффективное опустошение уровня 8, происходит у атомов, находящихся вблизи стенок трубки, а атомы, находящиеся вблизи ее центра, практически выключаются из процесса ггнгра1(ни.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
