1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 111
Текст из файла (страница 111)
Используя последующие каскады усилителей света, можно еще больше сократить длительность импульса, так как'при достаточной мощности уже начальная часть задающего импульса вызывает вынужденное высвечивание всех возбужденных ионов в усилителях. .Таким путем получают наносекундные гигантские импульсы света мощностью ! 04 МВт и выше, Расходимпсть излучения рубинового лазера не достигает предела, определяемого дифракцией на выходной апертуре. Это связано с оптической неоднородностью кристалла, а также с многомодовым характером излучения. ййлйаряду с рубиновым лазером, рабо- тающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые лазеры на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий), внедренных в кристаллическую (флюорит кальция) или стеклянную матрицу.
Эти ионы обладают чрезвычайно подходящей для лазеров структурой энергетических уровней (рис. 9.7). При комнатной температуре разность ет — ег в несколько раз превосходит йТ, поэтому уровень 2 практически пуст. С помощью сильного света лампы накачки ионы неодима возбуждаются в широкую полосу уровней 4. Время жизни иона в состоянии 4 очень мало, так как с большой вероятностью происходит без ызлуча тельный переход в метастабильное состояние 3.
Инверсия населенностей между уровнями 2 и 3 лазерного перехода достигается очень легко, поскольку нижний уровень 2 практически не ) заселен. Лазер на неодимовом стекле генерирует излучение на длине волны 1,Обмкм в виде импульсов с очень большими энергиями (около ! кДж). По четырехуровневой схеме работает лазер непрерывного действия на крис- Ч7 талле иттрий-алюминиевого граната (УАСг) Эиергетнческаи анас примесью н дима с выходной мощностью грамма ч "р'хур'вдо к т. 1 В. невою лааера $ адовые лазеры по многим характеристикам превосходят лазеры других типов.
Они перекрывают широкий спектральный диапазон (от субмиллиметрового до ультрафиолетового). Среди газовых лазеров всегда можно найти лазер, обладающий по крайней мере одним из следующих свойств: высокой степенью монохроматичности излучения, малой расходимостью излучения (вплоть до дифракнионного предела), предельными значениями мощности в непрерывном режиме, высоким к. п. д. Устройство наиболее распространенного гелий-неонового лазера схематически показано на рис. 9.8.
Газоразрядная трубка с внутренним диаметром 1 — 10 мм и длиной от нескольких десятков сантиметров до 1,5 — 3 м имеет торцовые плоскопараллельные стеклянные или кварцевые окна, установленные под углом Брюстера к ее оси. Для линейно поляризованного излучения с электрическим вектором в плоскости падения коэффициент отражения от них равен нулю.
Поэтому брюстеровские окна обеспечивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают потери энергии при распространении света из активной среды к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами с многослойными диэлектрическими покрытиями (см. $ 5.7). Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в нужном спектральном интервале и почти не поглощают свет. Пропускание зеркала, через которое выводится излучение, выбирается обычно около 1 — 2%, другого — менее 1%.
Особенно удобен резонатор, близкий к конфокальному, так как он вносит малые дифракционные потери и легко поддается юстироаке. Разрядная трубка заполнена смесью гелия и неона в молярном отношении 5:1 при давлении !Ов — 10з Па. К электродам подключен источник с напряжением в несколько киловольт. Типичная сила тока в разряде — десятки миллиампер. Упрощенная схема энергетических уровней атомов неона и гелия приведена на рис. 9.9. Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей уровней в неоне.
Гелий служит лишь для резонансного возбуждения неона. Атом гелия обладает двумя метастабильными состояниями 2 и 3. При столкновениях с электронами плазмы атомы гелия возбуждаются в эти состояния, и из-за болыпого времени их жизни концентрация атомов в разряде. возбужденных в метастабильные состояния, очень велика. Энергии состояний 2 и 3 близки к энергиям возбужденных состояний 2з и Зл атома неона, что благоприятно сказывается на передаче энергии возбуждения от атома гелия атому неона при столкновении.
В результате таких процессов населенность уровней 2л и Зз неона возрастает и возникает инверсия населенностей на пе- 9.и Разрядная трубка газового лазера г ок 3 нами„установленными под углом ЬГюс тера реходах Зл — Зр (5=3392 нм), 2л — 2р (? = = 1!53 нм) и Зз — 2р (й = 832,8 нм). На этих переходах и возможна генерация. Для получения генерации на одной из указанных длин воли используют зеркала с высокнм коэффициентом отражения в соответствующей спектральной области. Высокая оптическая однородность газовой активной среды позволяет получать излучение с очень высокой степенью временнбй и пространственной когерентности. амечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является исключительная способ- Упрошениая схема знер- ностЬ к концентрации световой энергии: яких уровней гелин в сиекгре — очень узкая спектральная ли- п неона ния излучения; во времени — возможность вас получения сверхкоротких импульсов света; в пространстве и ло на'ь правлению распространения — возможность получения направленного пучка с предельно малой (дифракцнонной) расходимостью и фокусирования всего излучения в малой области с размерами порядка длины волны.
Исключительные свойства лазерного излучения открывают широкие перспективы для использования лазеров в различных областях науки и техники: монохроматичность и когерентность— в голографии, при обработке информации, в измерительной технике; высокая мощность — в лазерной технологии и энергетике, в нелинейной оптике; малая расходимость излучения — в лазерной связи, локации, геодезии, строительстве и т. д. Контрольные вопросы Какие функции в лазере выполняют актипиая среда и резонатор? Какими факторами определяется частота, на ноторой происходкт лазерная генерация? Какими услопнямн определяется пороговое усиление? Какие процессы ведут к установлению стационарного режима генерация а случае превышения козффицнента усиления иад его пороговым значением? При каких условиях возможна многомодовая генерация? В чем заключаются естественные н технические причины уширенип линий генерацииз Как иа опыте можно продемонстрировать пространственную когерентиость лазерного излучения? Почему днфракциониые потери в резонаторе с плоскими зеркалами больше, чем в конфокальиом резонаторе таких же размеров? Поясните способы получения инверсии населенностей в трехурсмиевых и четырехуровневых лазерах.
!' В чем заключается режим модулированной добротности? Назовите основные области применения лазеров. ы Ю г) а) чеэаег эдс чгпгоэпввт)мвиынна вл орпускулярные свойства нзлучеэффеих Кння наиболее отчетливо обнаружнваются в явлении освобождения электронов нз вещества под действнем света — фотоэффекта. Влияние света на электрические процессы было открыто Герцем, заметившим, что проскакнванне искры между находящимися под напряжением цинковыми электродамн облегчается прн освешеннн нх ультрафиолетовым излучением. Первое обстоятельное исследование фотоэффекта было выполнено в 1888 — 1890 гг. А. Г.
Столетовым. Им было установлено, что под действием света тело теряет отрицательный заряд. что действие пропорционально световому потоку н вызывается пренмушественно ультрафнолетовымн лучами, что явление протекает практически безынерцнонно. Впоследствии Ленардом н Томсоном было измерено отношение заряда испускаемых частиц к массе с помощью опытов по отклоненню в электрическом н магнитном полях. Этн измерения показали, что под действием света освобождаются электроны. Для исследования закономерностей фотоэффекта используют установку, схематически показанную на ркс. 9.10, а.
В сосуде поддержнвается высокнй вакуум. Прн освещении металлической пластины Р через кварцевое окно в цепи возникает ток (фототок), измеряемый гальванометром 6. Явление в сильной степени зависит от чистоты освещаемой поверхности, поэтому в точных опытах используют свежие поверхности (срезы нлн поверхности, напыленные в вакууме). Для завнснмостн силы фототока от приложенного напряжения прн нензменном световом потоке (рнс. 9.!О, б) характерно сушествованне участка тока насыщения 1., когда все освобождаемые светом электроны (фотоэлекгроны) достигают анода, н участка нарастания, начинающегося прн некотором значении задерживающего напряжения (.(э. По измерениям (/э можно определить макснмальную скорость о освобождаемых светом электронов с помощью соотношения е(/э='/хгпо .
Многочислен- ч (о Схема опыта для исследования фотоэффекта (а), вольг-ампериая характеристика (д) н эавнсимосгь эадерживаюгпего напряжения (/„от частоты (в) ными экспернментамн установлены следующие основные закономерностн фотоэффекта: 1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку (прн неизменном спектральном составе). Этот закон проверен для очень широкого интервала интенсивностей. Отсюда следует, что число электронов, освобождаемых светом в 1 с, пропорцнонально мощностн падающего излучения.
2. Для каждого металла существует макснмальная длнна волны света (мнннмальная частота), прн которой еще происходит освобожденне электронов. Если длина волны превышает эту так называемую красную границу фотоэффекта, то эмиссия электронов отсутствует даже прн сравннтельно большой янтенснвностн облучающего света*. 3. Максимальная энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты со падающего света (рнс. 9.10, в) н не зависит от его 4 4::;: интенсивности. С точки зрения классических волновых представлений о прнроде излучения сам факт освобождения электронов нз металла неудивителен, так как падающая на поверхность электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов в металле. Поглощая энергию волны, электрон может накопить ее в колнчестве, достаточном для преодоления потенциального барьера, удержи- Ф: вающего электрон в металле (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
