Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Íà ðèñ. 7.12 ïîêàçàíû íåêîòîðûå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè àòîìîâ Heè Ne, ïåðåõîäû ñ êîòîðûõ è îïðåäåëÿþò ïðîöåññ ãåíåðàöèè èçëó÷åíèÿ ëàçåðà.Ïðè ïðîòåêàíèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà àòîìû íåîíà âîçáóæäàþòñÿ. Ïðîöåññâîçáóæäåíèÿ ïîêàçàí âåðòèêàëüíûìè øòðèõîâûìè ñòðåëêàìè.  ðåçóëüòàòå âîçíèêàåò ñïîíòàííîå èçëó÷åíèå, äëèíû âîëí êîòîðîãî l = 1 150, 632,8 è 3 390 íì.Ïðè ýëåêòðîííîì âîçáóæäåíèè âîçìîæíî ñîçäàòü ëèøü èíâåðñèþ çàñåëåííîñ3R121Ðèñ. 7.1178R2òè ìåæäó óðîâíÿìè W2 è W1 è îñóùåñòâèòü ãåíåðàöèþ íà äëèíå âîëíû l == 1 150 íì.Èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòü ìåæäó äðóãèìè ïàðàìè óðîâíåé ìîæíî ñîçäàòü âïðèñóòñòâèè ãåëèÿ.
Ãåëèé îáëàäàåò äâóìÿ äîëãîæèâóùèìè óðîâíÿìè W2¢ è W3¢(ìåòàñòàáèëüíûìè óðîâíÿìè). Ïðè âîçáóæäåíèè ãåëèÿ ýëåêòðîííûì óäàðîì(ïðîöåññ âîçáóæäåíèÿ ïîêàçàí âåðòèêàëüíûìè øòðèõîâûìè ñòðåëêàìè)Ðèñ. 7.12äîñòèãàåòñÿ âûñîêàÿ çàñåëåííîñòü ýòèõóðîâíåé. Òàê êàê ýíåðãèè W2¢ è W3¢î÷åíü áëèçêè ê ýíåðãèÿì W2 è W3, òî ïðè ñòîëêíîâåíèè àòîìîâ He è Neýíåðãèÿ ïåðâûõ ýôôåêòèâíî ïåðåõîäèò êî âòîðûì (ïðîöåññ ïîêàçàí ãîðèçîíòàëüíûìè øòðèõîâûìè ñòðåëêàìè).Óðîâåíü W1 îáëàäàåò íåáîëüøèì âðåìåíåì æèçíè. Ïðè ñïîíòàííîì ïåðåõîäå ñ W1 íà W * âîçíèêàåò ÿðêî-îðàíæåâîå ñâå÷åíèå. Ñ óðîâíÿ W * àòîì íåîíàïåðåõîäèò â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå W0 áåçûçëó÷àòåëüíî, ñòàëêèâàÿñü ñî ñòåíêàìèòðóáêè.Ïîñêîëüêó êîýôôèöèåíò Ýéíøòåéíà A21 ~ n3, âåðîÿòíîñòü ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 632,8 íì ïî÷òè â 150 ðàç âûøå, ÷åì èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîéâîëíû 3 390 íì.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî èíâåðñèÿ çàñåëåííîñòè ïàðû óðîâíåé W3, W4áîëüøå, ÷åì ïàðû W3, W1. Ïîýòîìó ãåíåðàöèÿ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ñ l = 3 390 íìâîçìîæíà è ïðè ìàëîîòðàæàþùèõ çåðêàëàõ, è äàæå áåç íèõ.Äëÿ ýôôåêòèâíîé ãåíåðàöèè êðàñíîé ëèíèè (l = 6 328 D) èñïîëüçóþò âûñîêîîòðàæàþùèå çåðêàëà, à â ðåçîíàòîð ïîìåùàþò êþâåòó ñ âåùåñòâîì, ïîãëîùàþùèì ÈÊ-èçëó÷åíèå. Òåìïåðàòóðà àòîìîâ â ðàçðÿäå T » 400 K.
Ïîñêîëüêóäàâëåíèå íåâåëèêî, îñíîâíûì ÿâëÿåòñÿ äîïëåðîâñêîå óøèðåíèå ñïåêòðàëüíîéëèíèè: DnD » 1,5 × 109 Ãö. Ïðè äëèíå ðåçîíàòîðà L = 1 ì ìåæìîäîâàÿ ÷àñòîòà dn =c/(2L) = 1,5 × 108 Ãö. Ïîýòîìó He-Ne-ëàçåð ìîæåò ãåíåðèðîâàòü íåñêîëüêîïðîäîëüíûõ ìîä, ÷èñëî êîòîðûõ çàâèñèò îò ðåæèìà åãî ðàáîòû. Ìîùíîñòü ãåíåðàöèè íà ýòîé äëèíå âîëíû ïðè äëèíå òðóáêè ~1,0 ì äîñòèãàåò 30 50 ìÂò.Íà ðèñ. 7.2 öâ. âêë.
ïîêàçàíà ôîòîãðàôèÿ ðàáîòàþùåãî äåìîíñòðàöèîííîãîãåëèé-íåîíîâîãî ëàçåðà, íà êîòîðîé õîðîøî âèäíû âñå îñíîâíûå ýëåìåíòûåãî êîíñòðóêöèè.Áîëåå ìîùíûì ÿâëÿåòñÿ àðãîíîâûé èîííûé ëàçåð (ðèñ. 7.13).Ðèñ. 7.1379Èíâåðñèÿ â àðãîíå, çàêëþ÷åííîì â ãàçîðàçðÿäíóþ òðóáêó 1, ñîçäàåòñÿ ïðèáîëüøèõ ïëîòíîñòÿõ ðàçðÿäíîãî òîêà ~ 150 400 À/ñì2. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïëîòíîñòè òîêà íà òðóáêó îäåâàþò êàòóøêó-ñîëåíîèä (íà ðèñóíêå íå ïîêàçàíà),ñîçäàþùóþ îñåâîå ìàãíèòíîå ïîëå, ñòÿãèâàþùåå äâèæóùèåñÿ ýëåêòðîíûê îñè òðóáêè. Ïîñêîëüêó âûäåëÿåòñÿ ìíîãî òåïëà, òðóáêó èçãîòîâëÿþò èç òåðìîñòîéêèõ ìàòåðèàëîâ (êâàðöà, êåðàìèêè è äð.) è îõëàæäàþò ïðîòåêàþùåéâîäîé.Èç-çà áîëüøîé êîíöåíòðàöèè èîíîâ Ar3+, äâèæóùèõñÿ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëåðàçðÿäà, ñîçäàåòñÿ ïåðåïàä äàâëåíèÿ ìåæäó êàòîäîì 2 è àíîäîì 3.
Äëÿ âûðàâíèâàíèÿ äàâëåíèÿ êàòîäíóþ è àíîäíóþ îáëàñòè ñîåäèíÿþò òðóáêîé 4.Ïðè ýíåðãåòè÷åñêèõ ïåðåõîäàõ èîíîâ Ar3+ ïðîèñõîäèò ãåíåðàöèÿ íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ ñ íåñêîëüêèìè äëèíàìè âîëí îò 454,5 äî 514,5 íì. Íàèáîëååèíòåíñèâíûìè ÿâëÿþòñÿ ñïåêòðàëüíûå ëèíèè ñ l1 = 488 íì (ñèíÿÿ) è l2 == 514,5 íì (çåëåíàÿ). Ìîùíîñòü ãåíåðàöèè ìîæåò ïðåâûøàòü 100 Âò.Òàêàÿ ìîùíîñòü äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò áîëüøîé íà÷àëüíîé (íåíàñûùåííîé)èíâåðñèè Dn0 = a2t2 - a1t1 è, ñëåäîâàòåëüíî, êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ G0. àðãîíå âåðõíèå óðîâíè èìåþò ñóùåñòâåííî áîëüøåå âðåìÿ æèçíè(t2 ~ 10-8 ñ), ÷åì íèæíèå (t1 » 3 × 10-10 ñ).Êàæäàÿ èç ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé èìååò äîïëåðîâñêèé êîíòóð, øèðèíà êîòîðîãî DnD » 6 × 109 Ãö.
Ýòî â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå, ÷åì ó He-Ne-ëàçåðà. Ïîýòîìóàðãîíîâûé ëàçåð ìîæåò ãåíåðèðîâàòü ñïåêòðàëüíóþ ëèíèþ ñ áîëüøèì ÷èñëîìïðîäîëüíûõ ìîä.Ôîòîãðàôèÿ ðàáîòàþùåãî àðãîíîâîãî ëàçåðà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 7.3 öâ. âêë.Åùå áîëüøóþ ìîùíîñòü óäàåòñÿ ïîëó÷èòü ó CO2-ëàçåðà. Óãëåêèñëûé ãàç èìååòðÿä ëèíèé ëþìèíåñöåíöèè ñ äëèíàìè âîëí âáëèçè l » 10,6 ìêì. Ýòî èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå, êîòîðîå âîçíèêàåò ïðè ïåðåõîäàõ ìåæäó êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíûìè óðîâíÿìè ìîëåêóëû CO2. Ãàçîðàçðÿäíàÿ òðóáêà çàïîëíÿåòñÿ ñìåñüþ àçîòà, óãëåêèñëîãî ãàçà è ãåëèÿ ïðè äàâëåíèè ~ 1 ìì ðò. ñò.Âîçáóæäåíèå ìîëåêóë CO2 ïðîèñõîäèò êàê ýëåêòðîííûì óäàðîì, òàê è ïðèñòîëêíîâåíèè ñ âîçáóæäåííûìè òîêîì àòîìàìè àçîòà.
Íèæíèå óðîâíè CO2îïóñòîøàþòñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèè ñ àòîìàìè ãåëèÿ è ñòåíêàìè òðóáêè.CO2-ëàçåð îáëàäàåò âûñîêèì êîýôôèöèåíòîì ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ, ïðåâûøàþùèì 10 %. Âûõîäíàÿ ìîùíîñòü â íåïðåðûâíîì ðåæèìå ìîæåò äîñòèãàòü 10 êÂò.Èçëó÷åíèå ýòîãî ëàçåðà (l » 10,6 ìêì) î÷åíü ñëàáî ïîãëîùàåòñÿ àòìîñôåðîé, ïîýòîìó òàêèå ìîùíûå ëàçåðû íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå âî ìíîãèõçàäà÷àõ àòìîñôåðíîé îïòèêè. Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè òåõíîëîãè÷åñêèå ÑÎ2-ëàçåðû, ðàáîòàþùèå ïðè àòìîñôåðíîì äàâëåíèè è ãåíåðèðóþùèåìîùíûå ñâåòîâûå ïó÷êè.Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â êîíñòðóêöèè ëàçåðà èñïîëüçóþòñÿ ìàòåðèàëû, êîòîðûå äîëæíû áûòü ïðîçðà÷íû â ýòîì äèàïàçîíå è îáëàäàòü áîëüøîé ïðî÷íîñòüþ.
Âåäü äàæå íåáîëüøîå ïîãëîùåíèå ïðè òàêèõ ìîùíîñòÿõ ìîæåò ïðèâåñòèê ëîêàëüíîìó íàãðåâó îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, è îíè ìîãóò ðàçðóøèòüñÿ.Ñàìûìè ìîùíûìè ÿâëÿþòñÿ ãàçîäèíàìè÷åñêèå ëàçåðû, â êîòîðûõ ðàáî÷èìâåùåñòâîì ñëóæèò ãàç ïðè àòìîñôåðíîì è áîëåå âûñîêîì äàâëåíèè. Ïîñêîëüêóïëîòíîñòü ãàçà âåëèêà, òî è ìîùíîñòü ãåíåðàöèè ìîæåò áûòü î÷åíü âûñîêîé.Èíâåðñèÿ çàñåëåííîñòè ñîçäàåòñÿ ïðè áûñòðîì âûòåêàíèè ãàçà èç ñîïëà.Ðàñøèðÿÿñü, ãàç îõëàæäàåòñÿ, ïðè ýòîì áåçûçëó÷àòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ âåðõíèõóðîâíåé íå òàê èíòåíñèâíà, êàê íèæíèõ. Ñëåäîâàòåëüíî, ïðè îõëàæäåíèè80Ðèñ. 7.14ñîçäàåòñÿ èíâåðñíàÿ çàñåëåííîñòü. Åñëè òàêîé ïîòîê íàïðàâèòü ïåðïåíäèêóëÿðíî îñè ðåçîíàòîðà, òî âîçíèêàåò ãåíåðàöèÿ.
Ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿãàçîäèíàìè÷åñêîãî CO2-ëàçåðà ïðåâûøàåò 50 êÂò. çàêëþ÷åíèå ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî íåêîòîðûå ãàçîâûå ëàçåðû ìîãóò ðàáîòàòü òîëüêî â èìïóëüñíîì ðåæèìå. Ê íèì îòíîñÿòñÿ âîäîðîäíûé ëàçåð (l == 1 800 D), ëàçåð íà ïàðàõ ìåäè (l1 = 5 106 D , l2 = 5 782 D) è äð. Ó àêòèâíûõ ñðåäýòèõ ëàçåðîâ t2 < t1, ïîýòîìó ëèøü â òå÷åíèå èíòåðâàëà âðåìåíè Dt < t2 óäàåòñÿïîääåðæèâàòü èíâåðñíóþ çàñåëåííîñòü. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñêîðîñòüçàñåëåíèÿ a2 âåðõíåãî óðîâíÿ ïðåâûøàëà ñêîðîñòü çàñåëåíèÿ a1 íèæíåãî óðîâíÿ. Âåðõíèé óðîâåíü õîðîøî âîçáóæäàåòñÿ ýëåêòðîííûì óäàðîì (áîëüøîå çíà÷åíèå a2).
Ýòî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ èíâåðñèè è óñèëåíèþ G0L ~ 106. Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó ~ 10 íñ, à ïèêîâàÿ ìîùíîñòü P ~ 10 100 ÌÂò.Òâåðäîòåëüíûå ëàçåðû.  ýòèõ ëàçåðàõ àêòèâíîé ñðåäîé ÿâëÿåòñÿ òâåðäîå òåëî,íàêà÷èâàåìîå ìîùíûì ïîòîêîì ñâåòà îò ëàìïû íàêà÷êè. Óñòðîéñòâî òàêîãîëàçåðà ñõåìàòè÷íî èçîáðàæåíî íà ðèñ. 7.14. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòèíàêà÷êè àêòèâíûé ýëåìåíò è ëàìïó ïîìåùàþò â öèëèíäðè÷åñêóþ ïîëîñòüñ õîðîøåé îòðàæàþùåé ïîâåðõíîñòüþ.Àêòèâíûé ýëåìåíò ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðèñòàëëè÷åñêèé èëè ñòåêëÿííûéñòåðæåíü, â êîòîðîì íàõîäÿòñÿ èîíû ïðèìåñè. Íà êâàíòîâûõ ïåðåõîäàõ ýòèõèîíîâ ìåæäó óðîâíÿìè W2 è W1 è îñóùåñòâëÿåòñÿ ãåíåðàöèÿ, à ñòåðæåíüâûïîëíÿåò ôóíêöèþ ìàòðèöû, óäåðæèâàþùåé èîíû.Ïðè ñâåòîâîé íàêà÷êå èîíû ïðèìåñè ïîãëîùàþò êâàíòû ðàçëè÷íûõ ÷àñòîò,ïîñêîëüêó â òâåðäîì òåëå óðîâíè î÷åíü øèðîêèå. Äëÿ íàãëÿäíîñòè íà ðèñ.
7.15ïîêàçàíû êâàíòîâûå ïåðåõîäû ïðè íàëè÷èè ÷åòûðåõóðîâíåé, èç êîòîðûõ îäèí óðîâåíü øèðîêèé.Ïîñêîëüêó óðîâåíü 3 øèðîêèé, åãî âðåìÿ æèçíèíåâåëèêî. Ïðè áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåëàêñàöèè (ïîêàçàííîé âîëíèñòîé ñòðåëêîé âíèç) èîí ïåðåõîäèò íàäîëãîæèâóùèé (t2 ~ 10-3 ñ) ìåòàñòàáèëüíûé óðîâåíü2. Çàñåëåííîñòü íèæíåãî óðîâíÿ 1 áóäåò, ñîãëàñíîðàñïðåäåëåíèþ Áîëüöìàíà, ìåíüøå îñíîâíîãî óðîâné (W - W 0 ) ùíÿ W0: 1 = exp ê - 1úû . Äëÿ ñîçäàíèÿ áîëüøåén0kTëèíâåðñíîé çàñåëåííîñòè ìåæäó óðîâíÿìè 2 è 1 æåëàòåëüíî, ÷òîáû óðîâåíü 1 áûë âûñîêî ðàñïîëîæåí íàäÐèñ.
7.15îñíîâíûì. Ïðè áåçûçëó÷àòåëüíîé ðåëàêñàöèè ÷àñòü81ýíåðãèè íàêà÷êè ïðåâðàùàåòñÿ â òåïëîâóþ, ïîýòîìó àêòèâíûé ýëåìåíò íåîáõîäèìî èíòåíñèâíî îõëàæäàòü.Ñóùåñòâóåò áîëüøîå êîëè÷åñòâî ìàòðèö, è ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè èîíîâ çàâèñÿò îò ñâîéñòâ ýòèõìàòðèö. Ñîîòâåòñòâåííî ïðè ñîçäàíèè ëàçåðîâ ïðèìåíÿåòñÿ áîëüøîå ÷èñëî àêòèâíûõ ñðåä.Ñàìûì ïåðâûì â ìèðå áûë ñîçäàí ðóáèíîâûéëàçåð (1961), àêòèâíûé ýëåìåíò êîòîðîãî ïðåäñòàâëÿë êðèñòàëë ñàïôèðà Al2O3, ñîäåðæàùèé 0,05 %èîíîâ Cr+.
Êàê îòìå÷àëîñü ðàíåå, ïðè îñâåùåíèèÐèñ. 7.16ðóáèí ëþìèíåñöèðóåò ðîçîâûì ñâåòîì. Íà ðèñ. 7.16ïîêàçàíà ñõåìà òðåõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé èîíà Cr+.Ïðè ñâåòîâîé íàêà÷êå (óðîâåíü 3) âîçáóæäàþòñÿ øèðîêèå, íî êîðîòêîæèâóùèå óðîâíè ñ ýíåðãèÿìè W3¢ è W3². Çà âðåìÿ t3 ~ 10-8 ñ ïðîèñõîäèò áåçûçëó÷àòåëüíàÿ ðåëàêñàöèÿ íà óðîâåíü 2, âðåìÿ æèçíè êîòîðîãî âåñüìà âåëèêî: t2 ~ 10-3 ñ.Ïðè ïåðåõîäå ñ óðîâíÿ 2 íà óðîâåíü 1 èçëó÷àþòñÿ ñâåòîâûå êâàíòû ñ äëèíîéâîëíû 694,3 íì.Äëÿ íàêà÷êè ïðèìåíÿþòñÿ èìïóëüñíûå ãàçîðàçðÿäíûå ëàìïû, äàþùèåâñïûøêó áåëîãî ñâåòà äëèòåëüíîñòüþ tâ ~ 10-3 ñ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
