Главная » Файлы » Методика выполнения лабораторных работ по физике » Квантовая физика [ Добавить материал ]

Принцип работы лазера

7.2.2. Принцип работы лазера

Для начала рекомендуется изучить теоретические сведения о спонтанных и индуцированных переходах.

Для работы лазера необходимы некоторые важные условия. Прежде всего это относится к энергетическому спектру излучающего вещества, называемого активным.

По положению двух энергетических уровней, между которыми осуществляется рабочий переход атомов активного вещества, лазеры подразделяются на трёхуровневых (рис. 7.2) и четырёхуровневые (рис. 7.3).

В трёхуровневой системе, характерной для оптического квантового генератора (ОКГ) на рубине, часть атомов активного вещества за счет энергии накачки переводится из основного состояния в широкую полосу 3, затем атомы безизлучательно переходят на метастабильный уровень 2, накапливаясь на нем. Если мощность накачки достаточно велика, то между уровнями 2 и 1 создается инверсия заселенности.





В четырехуровневой системе (рис. 7.3) конечный (нижний) уровень 4 рабочего перехода расположен достаточно далеко от основного уровня (Е4 ≥ 8 kT), в связи с чем его населённость меньше населённости основного уровня, поскольку число частиц с энергией En определяется из распределения Больцмана


(7.7)

где Т - абсолютная температура системы, zc - нормирующий множитель, N - полное число частиц (∑(Nm) = N ).

Поэтому инверсия населенности уровня 2 по отношению к уровню 4 может быть достигнута при меньших мощностях накачки.

К активным веществам ОКГ предъявляются следующие требования:
  • ширина спектральной линии изучения атома должна быть как можно уже;
  • спектральная область возбуждения (полоса поглощения - уровни 3) должна быть как можно шире и совпадать с максимумом спектрального распределения источника накачки;
  • время жизни возбужденного атома в метастабильном состоянии должно быть как можно большим и, по крайней мере, должно превышать время жизни атома на нижнем энергетическом уровне.

Чем больше времени жизни возбужденного атома в метастабильном состоянии, тем меньше будет спонтанных (самопроизвольных) переходов и тем легче создать инверсную населенность. Если время жизни возбужденного атома на нижнем уровне больше времени жизни на верхнем энергетическом уровне, инверсия населенности не может быть получена, так как возбужденные частицы будут не на верхнем, а на нижнем энергетическом уровне рабочего переходе.

Накачка (передача энергия атомами и перевод их в возбужденное состояние) может осуществиться в лазерах различными способами. Наиболее применимы:

  • оптическая накачка, когда кванты света необходимой частоты передают энергию атомам;
  • передача энергии при развитии газового разряда, когда электроны при соударениях передают свою энергию атомами (соударения первого рода);
  • накачка за счет мощного высокочастотного поля и ряд других.

В газовых лазерах очень важным является передача энергии одних атомов другим за счет неупругих столкновений (соударений второго рода). Процесс соударения такого рода схематически можно выразить в виде

B* + A → A* + B + ∆ E
(7.8)

где А и В - атомы, а звездочка показывает, что атом находится в возбужденном состоянии; ∆Е - дефект энергии.

Энергия возбуждения передается от состояния В* одного атома состоянию А* другого. Происходят следующие процессы, сопровождающиеся обменом энергии между частицами.

1) Электронные соударения (электронные удары первого рода), при которых происходит возбуждение атомов А и В и заселение уровней E3B ,E3A, E2A (рис. 7.4).
Заселенность уровня E2A является «паразитной», уменьшающей инверсию населенности.

2) Неупругие столкновения основного (А) и вспомогательного (В) газов. При этом атомы газа В отдают энергию возбуждения атомам основного газа А. Очевидно, имеет место и обратный процесс возбуждения газа В атомами А, уменьшающий населенность уровня E3A. Эффективность этих процессов зависит от «дефекта энергии» уровней E3A и E3B и определяется условием

∆ EBA = E3B - E3A ≤ k To
(7.9)

поскольку она убывает по закону exp ( -kTo ).


3) Спонтанное излучение с уровня E3A на уровень E1A ухудшает условие создания инверсии населенности; спонтанное излучение с уровня E2A обеспечивает «сток» отработанных частиц и является полезным.

4) Диффузия электронов и атомов при столкновении их со стенками сосуда, заключающего газовую смесь. Этот процесс в ряде случаев необходим (при мета-стабильном уровне E2A) и повышение его эффективности достигается уменьшением диаметра газоразрядных трубок.

Данные механизмы возбуждения в двухкомнатной газовой смеси позволяют сформулировать требования к основному и вспомогательному газам:
  1. Уровни E2A и E3B должны удовлетворять условию (7.9).
  2. Концентрация атомов вспомогательного газа должна значительно превышать концентрацию атомов основного газа (как правило в 5-10 раз), что позволяет обеспечивать преимущественную передачу энергии возбуждения именно основному газу.

Все эти идеи реализуются в Не-Ne лазере.
Похожие материалы:

Добавил: naddy (09.05.2010) | Категория: Квантовая физика
Просмотров: 5820 | Загрузок: 0 | Рейтинг: 5.0/1 |
Теги: кванты, индуцированный переход, физика, лазер
Комментарии (0)

Имя *:
Email *:
Код *: