Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Принцип действия и устройство лазера




Читайте также:
  1. A) Устройство, обеспечивающее кодирование сообщения
  2. Cистема качества,основанные на принципах ХАССП
  3. I Общеэкономические принципы.
  4. I. Основные принципы метода электронной микроскопии
  5. I. Психофизиологические принципы
  6. I. Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам.
  7. I2.5 СТЕПЕНЬ УДОВЛЕТВОРЕННОСТИ... Благоустройством и санитарным состоянием дома
  8. II. МОТИВЫ СОЦИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
  9. II. Сальтаторное распространение потенциала действия вдоль миелинового нервного волокна.
  10. III. Принцип, касающийся обязанности в соответствии с Ус­тавом, не вмешиваться в дела, входящие во внутреннюю ком­петенцию другого государства (принцип невмешательства).

 

Лазер – оптический квантовый генератор, абривиатура слов английской фразы: Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света вынужденным излучением». Лазер – устройство, преобразующее различные виды энергии – электрическую, световую, химическую, ядерную и т. д. в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Идея принципиально нового усиления и генерации электромагнитного излучения, применяемая в лазерах, принадлежит российским ученым Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, которые были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Любой лазер, работающий как генератор, состоит из трех основных элементов:

1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки – устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптического резонатора – устройства, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили осуществлять инверсную заселенность по трехуровневой схеме, а в 1960 г. в США был создан первый такой твердотельный рубиновый лазер (l = 0,6943 мкм, создатель – Т. Мейман).

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Aℓ2O3 с примесью оксида хрома Cr2O3 (0,03¸0,05 %). В кристаллической решетке оксида алюминия определенная часть атомов Aℓ заменена ионами Cr3+. Активным веществом, в котором осуществляются вынужденные переходы, являются ионы Cr3+ (в рубине) (рис. 8.12). Ионы содержат ближайшие к уровню Cr две широкие энергетические полосы А и двойной метастабильный уровень В, переходы с которого на основной уровень С соответствуют длинам волн красного света 692,7 и 694, 3 нм.

При интенсивном облучении рубина зеленым светом мощной импульсной лампы, наполненной неоном и криптоном (лампа и есть устройство накачки), наблюдается переход ионов Хрома на уровни широкой полосы А, откуда наиболее вероятными являются безизлучательные переходы ионов на двойной уровень В с передачей избытка энергии решетке рубина. Таким образом, населенность уровня В будет превышать населенность уровня С, так как спонтанный переход с уровня В на С маловероятен.



Время пребывания на уровне В ~ 10–3 с, что >> t = 10–8c.

Если энергия вспышки велика настолько, что более половины ионов хрома оказываются в состоянии В, то инверсия между уровнями В иС приводит к вынужденному излучению (усилению света) в красной области спектра: l = 0,69 мкм.

Эффект усиления света можно увеличить путем многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой «усиливающей» среды. Эту задачу выполняет оптический резонатор, представляющий из себя совокупность нескольких отражающих элементов: а) 2-плоских параллельных зеркал (интерферометр Фабри-Перо); или б) 2-сферических зеркал; в) с добавками активных элементов – пластинок, линз, дифракционных решеток (составные резонаторы).

Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 8.13). На рис. 1 – активная среда; 2 и 3 – сплошное и полупрозрачные сферические зеркала. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных атомов, может вызвать индуцированное излучение фотонов, возбужденных накачкой среды. Фотон, движущийся параллельно оси зеркал рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (а). Часть этой лавины частично проходит через зеркало 3 наружу (б), а часть отразится от зеркала 2, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до зеркала 2 (в), она частично поглотится, но после отражения будет двигаться так же, как и первоначальный фотон. Таким образом, с помощью зеркал в лазере реализуется обратная положительная связь. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало, создает строго направленный пучок лучей света огромной яркости.



При настройке резонатора необходимо учитывать, что излучение индуцированное в генераторе является когерентным первоначальному излучению того самого первого фотона (рис. 8.13, а). Волновые свойства света требуют, чтобы волна, отразившаяся от зеркала и вернувшаяся в некоторую точку среды, имела в этой точке ту же фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе отражений. Поэтому длина пути, который проходит волна между двумя отражениями, должна составлять целое число длин волн:

, (8.13)

где n – 1, 2, ….

Формулу (8.12) можно рассматривать, как необходимое условие для усиления излучения.

В генерации и усилении света участвует только фотоны, летящие параллельно оси резонатора. Поэтому луч, вышедший из генератора, имеет острую направленность, но из-за явления дифракции существует угловой предел для расхождения лучей оптического квантового генератора:

, (8.14)

где – минимальный угол расхождения лучей; l – длина волны излучения; D – диаметр зеркала в резонаторе. имеет порядок 10–5–10–6 рад.

Лазерное излучение обладает свойствами: 1) когерентно; 2) монохроматично ( м); 3) малое угловое расхождение; 4) большая плотность потока энергии.



Кпд лазеров колеблется от 0,01 до 75 %. Лазеры находят широкое применение в науке и технике.

Твердотельные лазеры на люминесцирующих средах (стеклах, рубина, активированных Nd) применяются в лазерной спектроскопии, нелинейной оптике, сварке, закалке, упрочнении поверхности.

Полупроводниковые лазеры имеют большой кпд и применяются как оптические стандарты частоты, в оптических линиях связи, для оптической обработки информации.

В медицине применяются N2–CO2 и CO – лазеры высокого давления; ионный аргоновый лазер.

Лазеры на красителях имеют основное достоинство – большой диапазон плавной перестройки частоты генерируемого излучения.

В настоящее время не угасает интерес к изучению взаимодействия лазерного излучения с различными объектами, к расширению областей применения излучения оптических квантовых генераторов.


Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 14; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.012 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты