Вопрос 37. Устройство лазера.Принцип действия лазера.

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент: 1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) системынакачки (устройства для создания инверсии в активной среде); 3) оптическог о резонатора (устройства, формирующего направление пучка фотонов).Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерногоизлучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.

Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник; импульсная лампа; дуговая лампа; другой лазер; химическая реакция; взрывчатое вещество

Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием(Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Как правило, в твердотельных лазерах зеркала формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом.

Для выхода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным.

Принцип действия лазера.

В качестве активной средыиспользовался рубин (окись алюминия (А1 ₂ О ₃), в некоторых узлах решетки которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома (Сr ⁺⁺⁺).

Изготовленный из такого рубина цилиндр 3 (рис 9.6) диаметром

(0,4– 2) см, длиной (3–20) см располагается между зеркалами 1 и 2 резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным, чтобы не происходило рассеяние излучения. В качестве источника возбуждения используется лампа накачки 4, имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг ци­линдра 3.

 

 

Рис. 9.6 Рис. 9.7

Устройство накачки представляет собой мощную импульсную газоразрядную лампу, питающуюся от источника высокого постоянного напряжения через конденсатор постоянной емкости.

Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго перпендикулярно оси кристалла. Если нанести специальный слой серебра на эти торцы,то они будут играть роль зеркал резонатора.

При интенсивном облучении рубина светом лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3(рис. 9.7).Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше10^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3®1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы наметастабильныйуровень 2 с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2®1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2атомов хрома порядка 10^-3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно возникший при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно излученные фотоныраспространяются в разных направлениях и в конечном итоге выходят из активной среды.Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать (рис 9.8).

 

 

Рис. 9.8

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, т.е. лазерного излучения с высокими когерент­ными свойствами.Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе(10⁶–10⁹) Вт.

Вопрос 38. Типы лазеров.

Лазеры можно классифицировать по особенностям активной среды (твердотельные, газовые, на красителях, полупроводниковые, жидкостные), по способу накачки (лазеры с оптической накачкой, газоразрядные, химическиеи др.),по режиму генерации (импульсного или непрерывного действия) и по другим признакам. Все эти лазеры генерируют излучение оптического диапазона.