Основные компоненты лазера

Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Активная среда

Накачка

Состояние с инверсией населенностей

Активные среды. Типы лазеров

Свойства

Вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждаю­щему (первичным фотонам): оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию, направление распространения, т. е. вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая возбужденные атомы, стимулируют вынужденные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако следует наряду с вынужденным излучением учитывать и конкурирующий процесс — поглощение.

Неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбуж­денных состояниях больше, чем их число в основном состоянии.

Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей). Накачка осуществляется оптическими, электрическими и другими способами.

Среда, при прохождении через которую падающий пучок света усиливается. В среде, в которой создаются состояния с инверсией населенностей, вынужденное излучение может превосходить поглощение света атомами и падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Таким образом, если через активную среду проходит электромагнитная волна, то по мере ее распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счет актов вынужденного излучения.

Принципиально новые источники излучения, в которых практически осуществляется инверсное состояние среды.

Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиоле­товой областях (в оптическом диапазоне).

Идея качественно нового принципа усиления электромагнитного излучения принадлежит Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу.

Классификация лазеров:

Лазеры делятся:

по типу активной среды (твердотельные, газовые, полупроводниковые

и жидкостные);

по методам накачки (оптические, тепловые, химические, электро-ионизационные и др.);

по режиму генерации (непрерывного или импульсного действия).

активная среда (в ней создаются состояния с инверсией населенностей);

система накачки (устройство для создания инверсии в активной среде);

оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство
избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий
световой пучок).

Принцип работы твердотельного лазера

Принцип работы твердотельного лазера рассмотрим на примере первого из них -
рубинового лазера (1960), рабо­тающего в видимой области спектра (длина волны излу­чения 0,6943 мкм). Инверсия населенностей осуществляется по трехуровневой схеме (идея Басова и Прохорова).
Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А1₂О₃, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов А1 замещены трехвалент­ными ионами Сг³⁺ (0,03 и 0,05% ионов хрома соответственно для розового и красного рубина).

Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При этом атомы хрома переходят с уровня l на уровни широкой полосы 3 (см. рисунок). За время ~10^-7 с (время жизни атома в возбужденном состоянии) осуществляются либо-спонтанные переходы 3→l (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2→l запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома примерно 10^-3 с, т. е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2, возникает среда с инверсией населенностей уровня 2. Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в прин­ципе может инициировать в активной среде множество вынужденных пере­ходов 2→l, в результате чего появляется лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Для выделения направления лазерной генерации используется принципи­ально важный элемент лазера — оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Оптический резонатор «выясняет» направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, формируя тем самым излучение с высокими когерентными свойствами.

Дата добавления: 2014-01-04