Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение icon

Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение


Скачать 245.44 Kb.
НазваниеТеоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение
Дата публикации19.10.2014
Размер245.44 Kb.
ТипДокументы

Теоретические основы работы гелий-неонового лазера


Введение


В 1954 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в Физическом институте АН СССР им. П.Н. Лебедева (г. Москва) и Ч.Г. Таунсом с сотрудниками в Колумбийском университете (США) были разработаны теоретические основы квантовых генераторов, и был создан первый молекулярный квантовый генератор электромагнитного излучения на пучке молекул аммиака с длиной волны ~ 1 см (молекулярный генератор СВЧ-диапазона или мазер). Этот год можно считать годом рождения квантовой электроники. Несколько позже, в 1957 г., Н. Бломбергеном показана возможность создания квантовых усилителей (генераторов) в радиодиапазоне на твердом теле (кристалл рубина – оксид алюминия с небольшой примесью парамагнитных ионов хрома). Примерно в это же время появились и первые идеи создания квантовых генераторов электромагнитного излучения в оптическом диапазоне (А.Л. Шавлов и Ч.Г. Таунс, 1958 г.). В 1960 г. в США Т. Мейманом был разработан первый оптический квантовый генератор (лазер) на кристалле рубина, дающий излучение в видимой области спектра. Первый газовый лазер (на смеси гелия и неона) был создан в 1961 г. в США А. Джаваном с сотрудниками. Генераторы и усилители света в видимой и ближней инфракрасной областях, появившиеся в 1960 г., называются оптическими квантовыми генераторами (ОКГ). Иначе эти устройства называют генераторами когерентного света (ГКС). В настоящее время их сокращенно называют лазерами.1 Оба типа устройств работают на основе эффекта вынужденного (индуцированного, стимулирован­ного) излучения. Этот эффект является результатом взаимо­действия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходит волна. В 1962–1963 гг. в США и СССР были разработаны первые полупроводниковые лазеры.

В настоящее время создано большое число различных типов оптических квантовых генераторов (ОКГ), работающих на различных длинах волн. Высокая мощность, временная и пространственная когерентность, направленность излучения способствовали широкому применению лазеров. Например, в технике (обработка материалов), медицине (хирургические операции), биологии, химии (управление химическими реакциями), в физических исследованиях (лазерный термоядерный синтез, спектроскопия, лазерная диагностика) и др. Представляется перспективным создание на основе лазеров эффективных систем световой связи (передача информации, телевизионных изображений), локации (более точное измерение расстояний), элементов вычислительной техники. Появление лазеров способствовало также бурному развитию голографии. Создание мощных лазеров привело к обнаружению новых физических явлений, лежащих в основе нелинейной оптики. За фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию квантовых генераторов и усилителей нового типа, Н.Г. Басову и А.М. Прохорову совместно с Ч. Таунсом в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.


Излучение лазеров отличается рядом замечательных особен­ностей. Для него характерны:

1) строгая монохроматичность;

2) высокая временная и пространственная когерент­ность;

3) большая интенсивность

4) узкая направленность пучка.


О том, какие физические процессы ответственны за приведённые выше свойства света и пойдёт дальше речь. Рассмотрим более детально физические принципы, лежащие в основе работы оптических квантовых генераторов.


^ Физические принципы оптических квантовых генераторов


Для реализации оптического квантового генератора (ОКГ), как и в случае любого другого генератора незатухающих колебаний, необходимо осуществить усиление колебаний. Затем, используя положительную обратную связь, можно осуществить автоколебательный режим, то есть генерацию света.

Таким образом, основным условием работы лазера является наличие усиливающей среды. Усиление света основано на явлении вынужденного (индуцированного) излучения, которое является обратным поглощению света. Идея возможности усиления света впервые была указана в 1939 г. В.В. Фабрикантом, который предложил использовать для этой це­ли явление вынужденного излучения, понятие о котором ввел в 1916 году А. Эйнштейн.

Рассмотрим явление индуцированного излучения более подробно.

Д
ля понимания этого явления рассмотрим элементарные акты взаимодействия электромагнитного излучения с атомной системой. Предположим для простоты, что рассматриваемая нами квантовая система обладает лишь двумя энергетическими уровнями: верхним Е2 и нижним Е1 (рис.1). Рассматривая вопрос об излучении энер­гии абсолютно черным телом, А. Эйнштейн установил, что кванто­вые переходы атомной системы связаны с процессами поглощения энергии системой (рис. 1 а), спонтанного2 излучения (рис. 1 б) и вынужденного излучения (рис 1 в).


Согласно Эйнштейну, возбужденный атом, находящийся на уровне Е2, может перейти на низший уровень Е1 с испусканием кванта hv21 либо спонтанно (самопроизвольно, без участия каких-либо внешних факторов), либо вынужденно (под действием поля, частота которого совпадает с частотой перехода атома 21).3

Эйнштейн ввел три коэффициента характеризующие вероятность осуществления в единицу времени указанных выше процессов, а именно: вероятность спонтанного излучательного перехода А21, вероятность поглощения В12ρ() и вероятность вынужденного излучения В21ρ(). Две последние величины связаны с наличием внешнего поля, на что указывает множитель ρ(), представляющий собой объемную спектральную плотность излучения на частоте . Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного уровня вниз. Здесь – частота перехода для расс­матриваемой двухуровневой системы. Однако под влиянием падающего на атом излучения могут происходить и переходы в верхние возбужденные состояния, приводящие к поглощению электромагнитной энергии. Средние числа переходов в единичном объеме в единицу времени соответственно равны А21N2, В12ρ()N2 и В12ρ()N1, где N1 и N2 – числа атомов, находящихся на верхнем и нижнем уровнях соответственно.

Исходя из термодинамических соображений, Эйнштейн доказал, что вероятность вынужденных переходов, сопровождающихся излучением, должна быть равна вероятности вынужденных пере­ходов, сопровождающихся поглощением света. Таким образом, вынужденные переходы могут с равной вероятностью происхо­дить как в одном, так и в другом направлении.

Действительно, при термодинамическом равновесии, то есть при равенстве чисел переходов 1→2 и 2→1 в единицу времени, можно записать:

(1)

или

(1a)

Принимая во внимание распределение Больцмана, получим

. (2)

Подставляя выражение для N2 в формулу (1а), находим:

. (3)

Сравнивая выражение (3) с формулой Планка для объемной спект­ральной плотности равновесного теплового излучения:

, (4)

приходим к следующим соотношениям между коэффициентами Эйнш­тейна:

, . (5)

Коэффициент А21 представляет собой величину, обратную среднему времени жизни атома в возбужденном состоянии.

Рассмотрим прохождение плоской монохроматической волны с плотностью потока энергии ^ Р (Вт/м2) через вещество, атомы которого характеризуются известными коэффициентами A21, B21 и B12.

В слое вещества толщиной Δx и сечением S на нижнем энерге­тическом уровне 1 находятся N1ΔxS атомов. При каждом акте поглощения из потока излучения П=SP отбирается один квант энергии h. Вероятность одного акта поглощения в еди­ничном объеме в 1 секунду равна В12ρ(), где ρ()= P/с, а среднее число актов поглощения за 1 секунду в объеме VxS равно

. (6)

Следовательно, за счет поглощения поток энергии П=SP уменьшается на величи­ну

. (7)

Аналогичные рассуждения можно провести для подсчета изменения потока энергии в слое Δx вследствие вынужденного излучения N2ΔxS атомов, которые, переходя на нижний уровень 1, добавля­ют к излучению кванты h . В этом случае поток энергии уве­личивается на

. (8)

Считая изменение плотности потока энергии за счет спонтанного излучения малым, можно найти полное изменение плотности пото­ка энергии ΔP на длине пути Δx:

,

или, учитывая равенство В12=В21,

, (9)

где .

Переходя далее к пределу Δx→ 0 и интегрируя уравнение, получим:

. (10)

Если N1>N2 , то , что соответствует поглощению света:

. (11)

Если N2>N1, то , что соответствует усилению света и характеризует состояние так называемого отрицательного поглощения. В этом случае интен­сивность света при его прохождении через среду увеличивается.

Итак, новый фотон, появившийся в результате индуциро­ванного излучения, усиливает свет, проходящий через сре­ду. В результате актов вынужденного излучения фо­тон с энергией hv21 «сваливает» атом с уровня Е2 на уровень Е1, и вместо одного фотона дальше летят два фотона. Два фотона, образовавшиеся в од­ном акте индуцированного излучения, при встрече с другими атомами, находящими­ся на возбужденном уровне, «свалят» их вниз, и после этого будут лететь уже четыре одинаковых фотона, и т.д. (рис.2).

С волновой точки зрения, амплитуда электромагнитной волны и ее квадрат, пропорциональный интенсивности света, будут нарастать за счет энергии, получаемой от возбужденных атомов. Однако кроме индуцированного излучения происходит процесс поглощения света, который уменьшает мощность света, проходящего через среду. Та­ким образом, происходят два конкурирующих друг с другом процесса. Действие уси­ливающей среды определя­ется тем, какой из двух процессов преобладает. Если преобладают акты по­глощения фотонов, то среда будет не усиливающей, а ослабляющей свет, который через нее проходит. Если главную роль играют акты вынужденного излучения, то среда будет усиливать свет.

Вынужденное (индуцированное) излучение обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направ­лением распространения вынуждающего излучения, т.е. внеш­него излучения, вызвавшего переход. То же самое относится к ча­стоте, фазе и поляризации вынужденного и вынуждающего излу­чений. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучения оказываются строго когерентными. При вынужденном излучении атом отдает энергию электромагнитной волне.

Итак, чтобы осуществить усиление света, необходимо создать инверсную заселенность, то есть такое неравновесное состояние системы, при котором число атомов N2 на возбужденном уровне было бы больше, чем число атомов N1 в нормальном состоянии (N2>N1). Слово «инверсия» озна­чает переворачивание (от латинского inversio). Смысл тер­мина состоит в том, что в таком неравновесном состоянии имеется «обращенное» распределение атомов по энергети­ческим состояниям: на верхнем уровне концентрация ато­мов больше, чем на нижнем.

В случае термодинамического равновесия распределение ато­мов по различным энергетическим состояниям определяется зако­ном Больцмана (2), из которого следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т.е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при про­хождении через вещество ослабляется. В случае инверсной населенности (N2/N1)>1 при 2–Е1)>0. Распространив формально на этот случай распределение (2), мы получим для Т отрицательное значение. Поэтому состояния с инверсной населенностью называют иногда состояниями с отри­цательной температурой.


^ Оптические квантовые генераторы


Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости рабочего тела. Рабочее тело (инверсная среда) помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения.

Процесс перевода среды в инверсное состояние назы­вается накачкой усиливающей среды, суть которой состоит в перево­де атомов в возбужденное состояние за счет внешнего источника энергии. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.

Наиболее естественной представляется оптическая накачка среды (облучение среды мощным потоком излучения), при которой атомы переводятся с нижнего уровня 1 на верхний возбуж­денный уровень 2 облучением светом такой частоты v, что hv=Е2Е1. Если усиливающая среда является газообраз­ной, то перевод атомов на верхний энергетический уровень возможен при неупругих столкновениях атомов с электро­нами в газовом разряде (электрическая накачка). Однако такие методы перевода атомов с нижнего уровня на верхний не приводят к инверсной заселенности атомов по уровням. За счет спонтанного излучения атомов, находящихся на возбужденных уровнях весьма малое время, а так­же за счет столкновений атомов с электронами, при которых возбужденные атомы отдают электронам свою энергию и переходят на нижние уровни, заселенность атомами верх­них уровней будет меньше, чем нижних. Этот общий результат показывает, что использование двух уровней 1 и 2 не эффективно для получения инверсной заселенности, так как в ней можно добиться только состояния, когда N2=N1 (т.е. такая система всегда будет равновесной).

Инверсной заселенности можно достичь только в неравновесном состоянии, например путем оптического заселения верхнего рабочего уровня через дополнительный еще более высокий уровень. Сделать это можно в средах, атомы которых имеют метастабильные уровни (уровни, на которых время жизни атомов велико по сравнению с обычным временем жизни атома в возбужденном состоянии с).

Поэтому практическое осуществление инверсной заселенности уровней в оптических квантовых генераторах производится как минимум по трехуровневой схеме, предложенной Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в 1955 г.

Система облучается квантами света с частотой 13, равной разности энергий третьего и первого уровней. При поглощении этих квантов атомы переходят в перво­го энергетического уровня на третий. Затем через короткое время с они спонтанно переходят на второй уровень, кото­рый является метастабильным (с). Тем самым создается инверсная за­селенность: атомов на втором уровне оказывается больше, чем на первом. Теперь при попадании на систему кванта, равного h21=Е2Е1, произойдет индуцированный переход между вторым и первым уровнями, что способствует усилению падающего на сис­тему излучения. Примерно таким образом происходит создание ин­версной заселенности в рубиновом лазере, в котором активной сре­дой является рубин, то есть глинозем (Аl2О3) с вкраплением ато­мов хрома, при этом накачка производится ксеноновой лампой.


^ Гелий-неоновый лазер


В гелий-неоновом4 лазере инверсия населенностей осуществляется с помощью электрического разряда, а активной средой является плазма, образующаяся при прохождении электрического тока сквозь смесь гелия с неоном в газоразрядной трубке.






Рассмотрим механизм возникновения усиления в рабочей среде гелий-неонового лазера. Лазерная трубка наполняется смесью гелия и неона в соотношении от 5:1 до 10:1 с общим давлением порядка 102 Па, при котором довольно легко возбудить электрический разряд. Электрическое поле в га­зовой смеси создается с помо­щью специальных электродов. Между катодом и анодом создается постоянное напряжение в несколько киловольт, вследствие чего возникает разрядный ток в несколько миллиампер. Рабочим лазерным веществом является неон. Гелий используется для избирательного заселения верхнего рабочего уровня неона. Атомы гелия возбуждаются при столкновениях с разогнанными в электрическом поле разряда электронами. Передача энергии от возбужденных атомов гелия к атомам неона осуществляется при столкновениях между ними (рис. 3). Известно, что наиболее эффективно передача энергии от атома к атому происходит в резонансном случае, то есть когда энергии уровней, между которыми происходит переход, близки.


На рис. 4 приведена упрощенная схема энергетических уровней атомов Не и Nе.





Электронная конфигурация основного состояния гелия – 1s2, а терм основного состояния – 11S0. Первые возбужденные состояния соответствуют переходу одного электрона на оболочку 2s и записываются 23S1 и 21S0. Их энергии 19,77 и 20,55 эВ соответственно. Оба уровня метастабильны со временем жизни примерно 10-3 с, так как прямые переходы в основное состояние запрещены правилами отбора по орбитальному квантовому числу l.

Электронная конфигурация основного состояния неона – 1s22s26. В возбужденном состоянии один из электронов переведен на более высокие s- или р- оболочки, то есть в состояния с конфигурацией 1s22s25ns или 1s22s25nр (для простоты в электронной конфигурации можно указывать только незаполненные оболочки 2р5ns или 2р5nр). Конфигурациям 2р5ns отвечают четыре близко расположенных энергетических уровня, а конфигурациям 2р5nр – 10 уровней.

При зажигании разряда происходит возбуждение электронным ударом этих уровней гелия и уровней неона. Однако из-за большой разницы в значениях времени жизни существенное накопление атомов происходит только на метастабильных уровнях гелия. При этом оказывается, что разность энергии между метастабильными уровнями гелия 23S1 и 21S0 и соответствующими верхними уровнями неона с электронными конфигурациями 2p54s и 2p55s составляет 0,037эВ. Поэтому процесс передачи возбуждения между этими уровнями наиболее интенсивен. Присутствие в разряде достаточно большого числа возбужденных атомов гелия приводит к включению механизма резонансной передачи возбуждения от атомов гелия к атомам неона, которая происходит по следующей схеме:

He* + Ne + ΔE → He + Ne*,

и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0.05 эВ берутся из кинетической энергии движения атомов.

Заселённость уровня неона 2p55s возрастает и в определённый момент становится больше, чем у нижележащего уровня 2p53p. Наступает инверсия заселённости уровней — среда становится способной к лазерной генерации.


По правилам отбора разрешены переходы с верхних s-уровней 2p55s и 2p54s на нижние р-уровни 2p54p и 2p53p, а с этих уровней на метастабильные уровни 2p53s. Время жизни верхних s-уровней 10-7с, а р-уровней 10-8с.

При переходе атома неона из состояния 2p55s в состояние 2p53p испускается излучение с длиной волны 632,8 нм. Состояние 2p53p атома неона также является излучательным с малым временем жизни, и поэтому оно быстро девозбуждается в систему уровней 2p53s, а затем и в основное состояние 2p6 — либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p53s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p53s).

Кроме того при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: тот же уровень 2p55s может перейти на 2p54p с излучением фотона с длиной волны 3390 нм, а уровень 2p54s , возникающий при столкновении с другим метастабильным уровнем гелия, может перейти на 2p53p, испуская при этом фотон с длиной волны 1150 нм.

Переходы 2p5np2p53s происходят спонтанно и сопровождаются излучением ярких красно-оранжевых линий, определяющих цвет разряда в трубке. С уровней 2p53s атомы неона переходят в основное состояние при соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Инверсная заселенность может создаваться и между другими энергетическими уровнями, в настоящее время известно около 27 линий неона, лежащих в диапазоне 630–5400 нм. Однако наиболее интенсивными являются перечисленные выше переходы.

Следует отметить, что для поддержания инверсной заселенности при работе непрерывного лазера необходимо не только заселение верхнего лазерного уровня, но и быстрое опустошение нижнего уровня 2p53s. В гелий-неоновом лазере это происходит при соударении атомов неона, находящихся на нижнем лазерном уровне, со стенками лазерной трубки, при этом атомы передают энергию стенкам и сбрасываются еще ниже, в основное состояние 2р6. Поэтому в современных лазерах трубки делаются с маленьким внутренним диаметром порядка 1–2 мм при длине 20–60 см. Дальнейшее уменьшение диаметра нецелесообразно из-за возрастания дифракционных потерь. Недостаточно быстрое опустошение нижнего лазерного уровня в гелий-неоновых лазерах ограничивает и предельный коэффициент усиления.


^ Положительная обратная связь


Лавинообразное на­растание интенсив-ности света в усиливающей, активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электро­магнитных волн. Прин­цип подобного усиления был сформулирован в 1951 г. В.А. Фабрикантом, М.М. Вудынским и Ф.А. Бугаевой.

Эффект усиления света, основанный на индуцирован­ных переходах, можно увеличить путем многократного про­хождения усиливаемого света через один и тот же слой «усиливающей» среды. Например, это может быть достиг­нуто путем помещения слоя среды с отрицательным погло­щением (кювета с газом или кристалл) между двумя доста­точно плоскими зеркалами, установленными параллельно друг другу (оптический резонатор). Чаще зеркала делаются вогнутыми.

Без зеркал газоразрядная трубка с гелий-неоновой смесью будет работать только как усилитель света. Зеркала превращают прибор в генератор света. Применяя радиотехническую терминологию можно сказать, зеркала обеспечивают положительную обратную связь.

Итак, мы видим, что для создания оптического квантового усилителя (ОКУ) необходимо и достаточно выполнение двух условий:


  1. ^ Наличие вещества, в атомах которого есть метастабильные уровни (10-3 с);

  2. Создание инверсной заселенности метастабильных уровней накачка.


Для создания любого оптического квантового генератора (ОКГ) или лазера необходимо выполнение еще третьего условия:

  1. ^ Создание положительной обратной связи.


Любой фо­тон, возникший в активной среде за счет спонтанного ис­пускания возбужденных накачкой атомов среды, является «затравкой» процесса генерации света.

Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кюветы или кристалла. Он рождает лавину фотонов, летя­щих в том же направле­нии (рис.5). Часть этой лавины частично пройдет через полупро­зрачное зеркало 3 нару­жу, а часть отразится и будет нарастать в актив­ной среде 1. Когда лавина фотонов дойдет до сплошного зер­кала 2, она частично по­глотится, но после отра­жения от зеркала 2 уси­ленный поток фотонов вновь будет двигаться так же, как и первоначальный, «затравочный» фотон. Та­ким образом, с помощью зеркал в ОКГ реализуется положительная обратная связь, необходимая во всяком генераторе для того, чтобы был обеспечен режим генерации. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало, создает строго направленный пучок лучей света огромной яркости.

Зеркала резонатора создают условия для многократного прохождения излучения через активную среду. Однако неидеальная отражающая способность зеркал является одним из основных источников потерь мощности газового лазера.

Для того чтобы в ОКГ нарастала лавина фотонов (са­мовозбуждение генератора), необходимо, чтобы усиление, которое создается на пути фотонов между двумя последова­тельными отражениями от зеркала 2, по крайней мере ком­пенсировало потери фотонов при отражении от зеркал. Количественной мерой усиления света в ОКГ может быть выбрана величина, равная (– коэффициент поглощения, связанный с коэффициентом усиления :). Здесь L – длина активной среды меж­ду зеркалами. Между двумя отражениями фотоны проходят путь 2L, поэтому усиление определяется величиной . Для того чтобы учесть потери фотонов в зеркалах, обозна­чим через r2 и r3 коэффициенты отражения света от зеркал 2 и 3 (рис. 5). Общие потери фотонов, отражающихся последовательно от обоих зеркал, пропорциональны произ­ведению . С учетом потерь в зеркалах усиление ОКГ можно записать в виде:

(12)

Отсюда можно найти условие, при котором по­тери в зеркалах компенсируются усилением среды и поэто­му , т. е. K =1:

(13)

Логарифмируя это условие, получим величину коэф­фициента отрицательного поглощения β в лазере:

(14)

Формула (14) используется для определения мини­мальной (пороговой) мощности накачки, которая необхо­дима для усиления света в генераторе. Очевидно, что если увеличить мощность накачки так, чтобы процессы генера­ции света превышали потери в зеркалах, то в ОКГ будет нарастать лавина фотонов и яркость луча, вышедшего из генератора, будет увеличиваться. Однако в ОКГ невозможно беспредельное возрастание усиления света. По мере роста усиления возрастает спонтанное излучение атомов, нахо­дящихся на верхних «рабочих энергетических уровнях» генератора. Это приводит к уменьшению инверсии в засе­лении верхних энергетических уровней и уменьшению чис­ла индуцированных переходов – усиление уменьшается и замедляется нарастание лавины фотонов. Описанное яв­ление называется насыщением в оптическом квантовом генераторе.


^ Устройство гелий-неонового лазера


Типичная конструкция гелий-неонового лазера показана на рис.6.




Высоковольтный (1–1,5 кВ) электрический разряд поддерживается в наполненной смесью гелия и неона трубке ^ Т, которая герметично закрыта выходными окнами Р1 и Р2 из прозрачного для генерируемого излучения материала. Окна наклонены к оси трубки под углом Брюстера, при котором электромагнитная волна, поляризованная в плоскости падения (совпадающей с плоскостью рисунка), не испытывает потерь на отражение от окон (при угле Брюстера поляризованные в плоскости падения лучи полностью без отражения проходят через границу раздела двух сред, в данном случае через скошенные торцы трубки). Зеркала S1 и S2 образуют оптический резонатор. «Глухое» зеркало S1 имеет коэффициент отражения, близкий к единице (0,998) , а зеркало S2 является частично прозрачным (с пропусканием 1–2 %), и через него происходит вывод лазерного излучения. Такое отражение недостижимо с металлическими зеркалами, поэтому используются специальные зеркала, в которых на стеклянную подложку нанесены (обычно напылением) чередующиеся слои диэлектриков с сильно различающимися показателями преломления, например, SiО2 с 1,45 и ТiО2 с 2,5. Толщины слоев подобраны таким образом, чтобы все волны, отраженные от границ раздела слоев, на выходе складывались в фазе, тогда при количестве слоев 10 удается достичь отражения 0,998–0,999.

Обычно используется сферический или полусферический резонатор, предъявляющий гораздо более мягкие требования к точности юстировки зеркал и обеспечивающий повышенную механическую стабильность по сравнению с плоским резонатором.

Длина газоразрядной трубки гелий-неонового лазера у разных его конструкций может быть от 15–20 см до 1–2 м. От длины трубки зависит коэффициент усиления активного элемента, а следовательно, и мощность генерируемого излучения, а также направленность лазерного луча.

До сих пор при анализе условий усиления света в ОКГ мы не учитывали, что индуцированное излучение в генера­торе является когерентным первоначальному, «затравоч­ному» излучению. Волновые свойства света приводят к не­которым дополнительным условиям, при которых осуществляется режим генерации. На волновом языке процесс усиления света в ОКГ означает непрерывное и значитель­ное возрастание амплитуды световой волны. Но для этого необходимо, чтобы волна, возвратившаяся в некоторую точ­ку активной среды после отражения от зеркал, имела бы в этой точке фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе отражений от зеркал. Это накладывает определенное условие на зависимость между длиной волны λ и длиной L активной среды. Длина пути, который про­ходит волна между двумя отражениями, должна составлять целое число длин волн:

, или , где (15)

Тогда при сложении амплитуд первичной и всех вторичных волн будет резко возрастать амплитуда результирующей волны. Если выполнено условие (15), то волны, которые при каждом отражении выходят из генератора через зер­кало 3 (рис. 6), когерентны между собой. Разность фаз двух последовательно вышедших волн составляет и определяется разностью оптического хода 2L. Пучки, которые вырываются из ОКГ, являются результатом интерференции многих когерентных волн, имеющих разность фаз, кратную 2π. Это обеспечивает наи­большую результирующую амплитуду и наибольшую ин­тенсивность света, полученного в лазере. При интерференции многих когерентных волн интерференционные максимумы интенсивности получаются очень узкими, резкими. Если условие (15) будет нарушено, то волны перестанут быть когерентными и их интерференция окажется невозможной.

Уравнение (15) является фазовым условием, вы­полнение которого так же необходимо для процесса генера­ции света в ОКГ, как и условие компенсации потерь (14). Из уравнения (15) следует, что если рассматривать пространство между двумя зеркалами в ОКГ как некоторый зеркальный резонатор, то на длине L, резонатора должно укладываться некоторое целое число п стоячих волн. Таким образом, уравнение (15) есть одновре­менно условие резонанса между электромагнитной волной и зеркальным резонатором.

Указанное условие выполняется не только для осевого пучка, но и для ряда приосевых пучков, которые дают в плоскости, перпендикулярной оси пучка, сложное распределение амплитуд, зависящее от направления распространения и соответственно от дифракционных потерь. Такие колебания получили название поперечных мод резонатора (мода – это тип колебаний).

Условия резонанса (фазовые условия) для каждого выбранного направления (для каждой моды) могут выполняться для ряда частот, удовлетворяющих следующему условию:

, (16)

где n – число полуволн, укладывающихся на пути L.

Каждому значению п соответствует определенная частота vп, генерируемая в ОКГ.

При заданном поперечном распределении поля, то есть внутри одной поперечной моды, может существовать ряд колебаний, которые получили название продольных мод. В вакууме отличие частот между соседними продольными модами:

. (17)

Если пространство между зеркалами заполнено средой, то:

, (18)

где – групповая скорость в данной среде.

В результате спектр излучения лазера, как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т.е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен. Таким образом, оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения.

В любом оптическом резонаторе, в особенности состоящем из плоских зеркал или плоского и сферического, поперечные моды по мере отклонения от оси резонатора испытывают все возрастающие потери за счет дифракции. Эти потери тем больше, чем шире пучок. Вследствие этого условия генерации возникают только для приосевых мод, что обеспечивает высокую направленность лазерного луча.

Путем настройки и с помощью специальных диафрагм можно выделить одну спектральную компоненту, то есть получить генерацию на одной основной моде – одномодовый режим. В ряде случаев путем внесения в резонатор селективных фильтров удается получить генерацию только одной продольной моды. Такой режим работы лазера называется одночастотным. В этом случае реализуется максимальная монохрома-тичность излучения лазера.

Резонатор обеспечивает высокую направленность (малую расходимость) излучения, так как в нем заметно усиливаются лишь те волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или под очень малыми углами к ней. Расходимость луча определяется соотношением: , где L – длина трубки;  – длина волны. Однако волновые свойства света не позволяют получить угол расхождения лучей, равный нулю. Явление дифракции света определяет нижний угловой пре­дел θмин для расхождения лучей ОКГ. Угол расхождения лучей не может быть меньше угла дифракции на круглом экране, имеющем диаметр D:

,

где D — диаметр зеркала в оптическом квантовом генера­торе. Реально получена расходимость 1–2 угловые минуты.

Кроме очень высокой степени направленности гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Благо­даря высокой добротности резонатора спектральная ширина ге­нерируемого излучения оказывается существенно уже характер­ной для спонтанного излучения естественной ширины линии ато­ма неона. Именно поэтому лазерное излучение отличается высо­кой степенью временной и пространственной когерентности.

Ширина спектральной линии  атома неона определяет область частот, в которой может иметь место генерация света при инверсной заселенности. Из этой относительно широкой спектральной линии оптический резонатор вырезает гораздо более узкие линии, соответствующие собственным частотам резонатора (рис.7). Если усиление в неоне достаточно велико, то генерация может возникнуть на большом числе собственных частот резонатора, для которых усиление превышает потери света в газе и зеркалах (рассеяние и поглощение). Так как линии генерации в основном определяются собственными частотами оптического резонатора, стабильность частоты газового лазера определяется главным образом неподвижностью зеркал резонатора.

При работе гелий-неонового лазера в видимой области спектра (632,8 нм) желательно исключить излучение в инфракрасном диапазоне. С этой целью подбираются зеркала со специальной частотной зависимостью коэффициента отражения, благодаря которой осуществляется срыв генерации ИК-излучения. Другой метод подавления этого излучения состоит в изготовлении торцевых окон трубки из стекла, сильно поглощающего ИК-излучение.


^ С головы на ноги


Всегда ли вынужденное излучение непременно требует инверсной среды? Нет, и это было известно изобретателям лазера. Чарльз Таунс в нобелевской лекции особо отметил, что инверсия необходима лишь в том случае, если фазы квантовых волновых функций излучающих частиц совершенно случайны. Если же это не так, есть способы усилить электромагнитные волны и в отсутствие инверсии. О такой возможности долго не вспоминали, однако в 1980-х ей всерьез занялись теоретики. Если вынуждающее излучение одновременно возбуждает несколько когерентных колебаний с близкими частотами, они могут интерферировать друг с другом. Взяв под контроль эту интерференцию, можно выключить взаимодействие излучения с поглощающими атомами, но при этом сохранить вынужденное излучение возбужденных атомов. В таком случае излучение будет усиливаться и без инверсии населенностей.

Реальность этого эффекта впервые была доказана в 2000 году в экспериментах с атомарными парами. А совсем недавно физики из Англии и Швейцарии получили аналогичные результаты и на полупроводниковых нанокристаллах с тремя энергетическими уровнями. В этих опытах населенность нижнего уровня в четыре раза превышала общую населенность двух верхних.



1 Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона.


2 Находящиеся на возбужденном уровне атомы или молекулы могут независимо от наличия вынуждающего поля переходить на более низкий энергетический уровень, излучая фотон в произвольном направлении. Это явление называется спонтанным излучением. Оно присутствует в любой лазерной среде и затрудняет работу лазера, уменьшая заселенность верхнего рабочего уровня. В то же время оно выполняет и полезную функцию, являясь «затравкой» для формирования направленного пучка лазерного излучения.

3 Первый процесс приводит к поглощению света и ослаб­лению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности све­тового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобла­дает.

4 Первый газовый лазер был создан Джаваном, Беннетом и Эрриотом в 1961 г.




Похожие:

Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconТеоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение
Этот эффект является результатом взаимо­действия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходит волна. В 1962–1963...
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconТема Теоретические основы правотворческой деятельности Вопросы темы: Введение в курс «Правотворческий процесс»
По мере усложнения общественных отношений право расширяет границы своего регулирования. Оно выступает в качества средства общения...
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconВопросы для самостоятельного изучения по дисциплине «мдк 01. 02 Теоретические и методические основы воспитания и развития детей раннего и дошкольного возраста»
«мдк 01. 02 Теоретические и методические основы воспитания и развития детей раннего и дошкольного возраста»
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconПуть к сердцу через Беримбáу
Несмотря на то, что существуют различные виды беримбау, в данном труде не делается различия между ними, поскольку теоретические основы...
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение icon«Пермский педагогический колледж №1»
Теоретические основы организации обучения в начальных классах (контроль остаточных знаний)
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение icon9.30 – 10.00 Регистрация участников 10.00 – 10.30 Открытие
Тренинг «Мастер-класс от председателя» (проектирование, самопрезентация, теоретические основы ссу и многое другое)
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconВопросы к экзамену по курсу «Теоретические основы информатики»
Информация как мера неопределенности. Единицы измерения информации. Формулы Шеннона и Хартли
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconС. Т. Губина психологическое консультирование семьи в ситуации ненормативного кризиса
Теоретические и методологические основы психологического консультирования семьи
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение icon1. Теоретические основы логистики
Этап: взаимосвязь потребителя и поставщика. Не рассматривалось распределения необходимых потребителю, как системой работа позволяюща...
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение icon1. 1 Назначение и теоретические основы проектируемого процесса
Технический углерод (техуглерод, от англ. Carbon black) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных...
Теоретические основы работы гелий-неонового лазера Введение iconВопросы к экзамену по курсу «Теоретические основы информатики»
Основные понятия информатики: информация, сообщение, информационные процессы, алгоритм, исполнитель
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы