Генераторы когерентного света

Лекция 16

Генераторы когерентного света

Возможность существования процессов вынужденного излучения, являющихся основой лазерной техники, была предсказана в 1916.г Эйнштейном. Он… Первое экспериментальное подтверждение возможности усиления света было… В квантовой электронике мы имеем дело не с одним атомом (молекулой), а с большим их числом, т.е. с некоторым ансамблем…

На рис. 11.1 представлена диаграмма энергетических уровней, причем длина горизонтальной черты определяет населенность того или иного энергетического уровня.

Свет представляет собой электромагнитные волны, энергия электромагнитного поля также квантована, каждый квант излучения (фотон) имеет энергию .

 

Атом может взаимодействовать с электромагнитным излучением, изменяя при этом свое энергетическое состояние, т.е. совершать переход с одного уровня на другой. При поглощении электромагнитной энергии происходит переход атома в состояние с большей энергией (на более высокий уровень). При переходе на нижний уровень атом излучает фотон.

Если атом находится в верхнем энергетическом состоянии с энергией E_m, то имеется определенная вероятность того, что через некоторое время он перейдет в нижнее состояние E_n, при этом излучается фотон:

_{m n} = E_m – E_n.

Вероятность перехода атома с одного энергетического уровня на другой имеет две составляющие. Первая зависит от свойств атома и не зависит от внешних факторов. Вторая – линейно зависит от плотности энергии поля, соответствующей частоте перехода, действующего на атом извне. Первая определяет спонтанное излучение, вторая – вынужденное, индуцированное. При воздействии света частотой на атом, находящийся на нижнем энергетическом уровне п, происходит поглощение фотона с энергией , сопровождаемое переходом атома на верхний уровень m. Спонтанного перехода атома с нижнего уровня на верхний не происходит.

Коэффициент спонтанного перехода A_mn определяет вероятность спонтанного перехода изолированного атома в единицу времени с уровня m на уровень n. Коэффициенты вынужденного излучения B_mn и поглощения B_nm определяют вероятность соответствующих переходов в единицу времени при воздействии на атом электромагнитной энергии со спектральной плотностью, равной единице. Эйнштейн установил соотношения для коэффициентов излучения и поглощения молекул, находящихся в тепловом равновесии:

r_wB_nmN_n = r_wB_mnN_m + A_mnN_n, (11.3)

где r_w – плотность энергии излучения на соответствующей частоте перехода между уровнями m и n, B_nmN_n – вероятность вынужденных переходов в единицу времени с уровня n на уровень m под влиянием излучения с плотностью энергии r_w, т.е. вероятность поглощения; B_mnN_m – вероятность вынужденных переходов с уровня m на n, т.е. вероятность вынужденного излучения. Левая часть уравнения (11.3) определяет поглощенную в единицу времени энергию, а правая – полную энергию излучения при вынужденных и спонтанных переходах. Из выражений (11.2) и (11.3) получаем:

.

Можно показать, что

g_nB_nm = g_m B_mn, ,

где g_n и g_m-степени вырождения энергетических уровней и . Если энергетические уровни частицы невырождены, то B_nm = B_mn - коэффициенты вынужденного излучения с уровня m на n и поглощения равны.

Принцип действия лазеров

. Общее число переходов атомов с уровня m на уровень n, как спонтанных, так и… .

.

Обозначим и – поперечные сечения взаимодействия фотона с атомом на переходах mn и nm соответственно, тогда с учетом выражения (11.2), имеем

, (11.5)

где

Формула (11.5) представляет собой закон Бугера, где a (коэффициент поглощения) имеет положительное значение и определяет коэффициент усиления. Степень усиления излучения определяется произведением aL. Чем выше инверсия, тем больше a. Это позволяет получить большую степень усиления на малой длине.

Если ансамбль поместить в резонатор, самым простым вариантом которого является система, состоящая из двух параллельно расположенных зеркал, то излучение, прежде чем покинуть резонатор, претерпевает большое число отражений от зеркал и, таким образом, проходит многократно через среду, заполняющую пространство между зеркалами.

В резонаторе, настроенном на частоту атомов или молекул, находящихся в нем, будет происходить интенсивное индуцированное излучение. Если испускаемая энергия будет больше потерь в резонаторе, то становится возможным усиление поступающего в резонатор излучения. Если индуцированное излучение окажется достаточным не только для преодоления потерь в резонаторе, но и в различных его нагрузках, оказывается возможным также и генерирование электромагнитных волн.

Таким образом, необходимыми элементами любого лазера являются:

1) ансамбль молекул, представляющих собою рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия, т.е. распределение по энергиям, несвойственное термодинамическому равновесию, удовлетворяющее условию:

N_m > (g_m/g_n) N_n ;

2) устройство, в котором используется какое-либо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию, т.е. накачку;

3) элемент, при помощи которого или в котором осуществляется достаточно интенсивное взаимодействие излучения с веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля молекул. Это резонатор.

На рис.11.2 показана схема оптического квантового генератора, 1 - рабочее тело; 2 - элемент накачки; З₁- глухое зеркало; З₂- зеркало, частично пропускающее излучение.

 

 

Схемы накачки

. Действительно, при термодинамическом равновесии уровень n заселен больше, чем… Однако такой механизм работать не будет. Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся…

Классификация лазеров

Основным признаком при классификации лазеров следует считать агрегатные состояния рабочего вещества. Различают газовые, жидкостные и твердотельные лазеры. В отдельную группу выделяют полупроводниковые лазеры, т.к. физические процессы, протекающие при генерации в полупроводниках, существенно отличаются от явлений, протекающих в обычных твердотельных лазерах.

В твердотельных лазерах рабочим ансамблем атомов являются примесные атомы, введенные в сравнительно небольших количествах в основную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представляет собой корунд Al₂O₃, в кристаллической решетке которого часть атомов Al заменена атомами Cr. Другим примером рабочего вещества является стекло (аморфное тело) с примесью неодима. Рабочими атомами в этом случае являются соответственно атомы хрома или неодима. Однако атомы неодима могут быть введены и в кристаллическое тело, как, например, в лазере на алюмоиттриевом гранате.

Инверсия в твердотельных лазерах достигается воздействием потоков фотонов соответствующей частоты на примесные атомы рабочего тела, т.е. при помощи оптической накачки, осуществляемой путем использования специальных газоразрядных ламп.

В газах могут быть использованы энергетические уровни атомов, ионов или молекул. Рабочие уровни ионов располагаются на энергетической диаграмме выше, чем уровни атомов, а расстояния между ними больше, поэтому излучение ионных лазеров является более коротковолновым, чем атомарных лазеров. Вероятность ионных переходов выше, чем атомных, поэтому мощность ионных лазеров выше.

В молекулярных лазерах используются энергетические уровни, соответствующие колебательным и вращательным движениям атомов и молекул. Данные уровни расположены ниже атомных уровней, и интервалы между ними значительно меньше, вследствие этого излучение молекулярных газовых лазеров более длинноволновое и соответствует инфракрасной части спектра, а КПД их много больше атомарных и ионных лазеров.

Среди газовых лазеров выделяют лазеры с однородным газом (He, Ne, Ar, Kr и т.д.) и лазеры, в которых к основному рабочему газу прибавляется примесь других газов (He- Ne) и т.д.

В большинстве газовых лазеров накачка осуществляется прохождением электрического тока через рабочий газ. При электрическом разряде в газе происходит столкновение электронов и ионов с нейтральными частицами газа, а также столкновения нейтральных частиц между собой. В результате этих столкновений при определенных условиях осуществляется инверсия, необходимая для генерации излучения.

Жидкостные лазеры делят на две группы:

- лазеры, у которых рабочим веществом являются растворы неорганических соединений;

- лазеры, у которых рабочим веществом являются растворы органических красителей.

В жидкостных лазерах инверсия осуществляется при помощи оптической накачки.

В полупроводниковых лазерах рабочим телом является кристалл полупроводника. Генерация осуществляется при рекомбинации неравновесных электронов и дырок при соответствующих переходах носителей. Полупроводниковые лазеры подразделяются на две группы. К первой группе относятся лазеры, в которых рабочим телом являются кристаллы – полупроводники, изготовленные таким образом, что одна их часть обладает электронной проводимостью (n-тип), а другая – дырочной (p-тип). При этом в p-n переходе возникает большой градиент концентрации электронов и дырок. Инверсия осуществляется при инжекции носителей тока через p-n переход под влиянием прилагаемой к кристаллу разности потенциалов. Это инжекционные лазеры.

Во второй группе лазеров рабочим телом являются кристаллы полупроводника одного типа. Возбуждение осуществляется при бомбардировке кристалла полупроводника электронным пучком, или достигается оптической накачкой.

В последнее время большое развитие получили лазеры с химической накачкой, когда инверсия возникает при той или другой химической реакции.