Физические основы работы лазеров

Цель работы: изучить физические основы работы лазеров;

озна­комиться с работой лазера ЛТН-102А.

Теоретическая часть

Общие основы работы лазеров

Согласно законам квантовой механики внутренняя энергия микро-частиц (молекул, атомов, ионов) вещества может принимать строго оп­ределённые дискретные значения Е₁<Е₂<Е₃...<Е_m<E_n,(Рис.6.1). Эти значения энергии называться энергетическими уровнями, или уровня­ми энергии. Система возможных энергетических уровней составляет энергетический спектр микрочастиц. Уровень с ми­нимальной энергией Е₁ называется основным, а все остальные - возбужденными. Число микрочастиц, имеющих одно значение энергии, т.е. находящихся на одном энергетическом уровне, называется на­селенностью уровня. Время нахождения атома на возбужденном энергетическом уровне (время жиз­ни уровня) составляет 10^-3 - 10^-8 с. Уровни, ко­торым соответствует наибольшие время жизни мик­рочастиц (10^-3 с), называют метастабильными (долгоживущими).

Переходы микрочастиц с одного уровня энергии на другой сопровождаются испусканием или поглощением кванта энергии - фотона hν, где ν - частота колебаний электромагнитного излучения; h =6,625·10^-34 Дж·с - постоянная Планка. Согласно закону сохранения энер­гии должно выполняться hν _nm=E_n-E_m.

Для перехода на более высокий энергетический уровень микрочас­тица должна поглотить квант энергии. Поглощенная энергия идет на увеличение внутренней энергии атома. При переходе микрочастицы на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии в ви­де кванта света.

В 1916 г. А.Эйнштейн, развивая идеи М.Планка о квантовом ха­рактере взаимодействия света с атомами, указал на существование одного процесса поглощения фотонов и двух процессов испускания фо­тонов.

В процессе поглощения микрочастица переходит с энергетического уровня Е_m на более высокий уровень Е_n (рис.6.2,а).

Процесс испускания микрочастицей фотона может происходить спонтанно, т.е. самопроизвольно, без всякого внешнего воздействия (рис.6.2,б). Спонтанное излучение происходит из-за неустойчивос­ти возбужденного состояния микрочастицы. Спонтанное излучение име­ет шумоподобный характер. Спонтанно излучаемый свет дают, например, нагретые тела, плазма газовых разрядов.

Второй процесс испускания фотонов называют вынужденным, или индуцированным (рис.6.2,в). Он происходит при столкновении фото­на с возбужденной микрочастицей. При этом вынужденный переход мик­рочастицы с уровня Е_n на более низкий энергетический уровень Е_m может вызвать только фотон с энергией hν _nm=Е_n-Е_m. Фотон, вызвав­ший переход, не изменяет своей энергии и направления движения.

Возникший новый фотон имеет такую же энергию и летит по тому же на­правлению. Следовательно, после встречи фотона с возбужденной мик­рочастицей дальше полетят уже два одинаковых фотона, а микрочасти­ца переходят на более низкий энергетический уровень.

Световая волна, встретив на своем пути возбужденную микрочастицу, как бы вбирает ее энергию, увеличивает свою интенсивность и продолжает распространяться без изменения фазы и направления. Ес­ли амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляри­зация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна называется когерентной.

Когерентное усиление света при вынужденном испускании фото­нов лежит в основе работы оптических квантовых генераторов (ОКГ) - лазеров. Слово "лазер" образовано из начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света стимулированным испусканием излучения).

Рассмотрим основные условия, необходимые для возникновения процессов усиления и генерации электромагнитного излучения в лазе­рах.

Условия квантового усиления

Атомы, молекулы вещества непрерывно взаимодействуют между со­бой, что приводит к

определенному распределению их энергии. При термодинамическом равновесии распределение микрочастиц по энерги­ям подчиняется закону Больцмана, согласно которому вероятность Р_i нахождения атома на уровне с энергией Е_i:

, (6.1)

где С - постоянная; Т - абсолютная температура; к=1,38*10^-23 Дж/К -

Из общего числа N атомов на уровне с анергией E_i находитсяся N_i атомов (N_i населённость i-го уровня):

(6.2).

Для двухуровневойсистемы (см.рис.6.2) отношение часла N_i ато­мов с энергией Е_n к числу n_m атомов с энергией E_m будет

(6.3)

Так как E_n>E_m, то N_n<N_m. Следовательно, при термодинамическом равновесии в среде имеется больше атомов, способных поглощать фо­тоны, чем испускать, и число актов поглощения фотонов будет превы­шать число актов испускания фотонов.

Интенсивность светового потока J, прошедшего в среде путь L, будет уменьшаться по закону:

J=J₀e^-αL, (6,4)

где α - коэффициент поглощения; J₀- интенсивность начального све­тового потока.

 

 

 

 

Для усиления проходящего светового потока необходимо создать условия, при которых должно преобладать число актов испускания фо­тонов, т.е, число атомов с энергией Е_n должно превышать число ато­мов с энергией Е_m(N_n>N_m). В этом случае коэффициент α в фор­муле (6,4) имеет отрицательное значение и называется коэффициентом усиления. В итоге получим J > J₀. Среда работает как усиливающая со степенью αL, Состояние, при котором N_n>N_m, называют инвер­сией населенности энергетических уровней.

Увеличение числа микрочастиц на верхнем уровне достигается внешним воздействием, называемым накачкой. Накачка может быть осу­ществлена, например, при облучении рабочей среды потоком фотонов или электронов о энергией hν_nm= Е_n-E_m.

В двухуровневой системе инверсную населенность, создать невоз­можно. При достижении равенства N₂=N₁ независимо от энергии накач­ки число переходов, с уровня Е₁ на Е₂ будет равняться числу обратных переходов, так как эти два перехода являются равновероятными. Поэ­тому для осуществления инверсии необходимо подбирать систему с тре­мя или более рабочими уровнями энергии, причём один из верхних уровней должен быть метастабильным.

После проведения накачки и осуществления инверсии подвергаем совокупность микрочастиц облучению потоком фотонов слабой интенсив­ности с частотой ν_nm, соответствующей переходу с уровня Е_n на уро­вень Е_m. Начальный поток фотонов части образуется и вследствие спонтанных переходов. В результате взаи­модействия светового потока с микрочасти­цами произойдет лавинное размножение фо­тонов (рис.6.3). После взаимодействия од­ного фотона с возбужденной микрочастицей образуются два фотона. Далее, эти два фо­тона превратятся в четыре, восемь, шестнадцать и т.д. На выходе из рабочей среды интенсивность пучка света будет значительно больше, т.е. произойдет его усиление.

Работа квантового генератора

Принцип усиления и генерации сверхвысокочастотных электромаг­нитных колебаний на основе вынужденных квантовых переходов был предложен в 1952 г. советскими учеными В.Г.Басовым и А.В.Прохоро­вым и американским ученым Ч.Таунсом. Ими был разработан квантовый генератор сантиметрового диапазона - мазер, работающий на пучке молекул аммиака. За эти работы Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таун­су в 1964 году была присуждена Нобелевская премия. Первый лазер был создан в 1960 г, американским ученым Т.Мейманом.

 

Для превращения рабочей среды из усилителя в генератор ее по­мещают в резонатор, обеспечивающий непрерывную подачу части свето­вой энергии усиленного светового потока обратно в активную среду, т.е. положительную обратную связь.

Самым простым резонатором (рис.6.4) является система, состоящая из двух па­раллельно расположенных плоских зеркал (резонатор Фабри - Перо). Зеркало 1 выполняется непрозрачным для данной световой волны с коэффициентом отражения, близким к 100% (глухое зеркало). Зеркало 2 является частично прозрач­ным с коэффициентом отражения 50 - 90%. Возникший в активном эле­менте 3 световой поток дойдет до одного зеркала, например, 1, отразится от него, пойдет усиливаясь в обратном направлений до зер­кала 2. Часть потока 4 выходит из резонатора, а часть (до 50 -90%) - вновь

отразится и пойдет, усиливаясь, обратно к зеркалу 1 и т.д. С помощью зеркал как бы удлиняется путь L в усиливающей среде [см.формулу (6.4)].

Если потери, света в зеркалах 1 и 2 будут компенсироваться усилением света в активном элементе, то в системе установится ста­ционарный режим генерации светового потока.

Луч лазера 4 представляет собой сушу частей световой волны* проходящей через полупрозрачное зеркало 2. Импульс излучения ла­зера (ряс. 6.5) при свободной генерации, т.е. без применения каких-либо внешних ограничений, имеет длительность ~10^-3 с и состоит из большого числа отдельных хаотично расположенных импульсов-пич­ков длительностью ~10^-6 с, следующих друг за другом со скважнос­тью ~5. Огибающая пичков имеет колоколообразную несимметричную форму.

Пичковый характер импульса обуславливается взаимодействием между различными типами колебаний, устанавливающихся в резонаторе.

В резонаторе возникает большое число волн, распространяющих­ся вдоль оси в обоих направлениях. Вследствие того, что все возникшие волны когерентны, наблюдается их интерференция. Максималь­ная амплитуда результирующей волны получается при разности хода складываемых волн, равной целому числу длин волн. Если длина пути, проходимого волной между двумя отражениями от одного зеркала, рав­на 2L (L - расстояние между зеркалами резонатора), то для полу­чения яркого выходящего луча должно быть

2L = qλ (6.5)

где q - целое число; λ -длина световой волны.

Таким образом, на длине резонатора L должно укладываться це­лое число полуволн qλ/2

Условие (6.5) записывается также в виде

, (6.6)

где C - скорость света; ν=с/λ - частота излучения.

Из-за теплового движения микрочастиц частота излучения не в точности равна ν, а лежит в интервале значений ν±Δν. Спект­ральная линия излучения микрочастицы активной среды имеет вид колоколообразной кривой (рис.6.6),

В резонаторе устанавливаются колебания с частотами, определя­емыми по формуле (6.6). Наибольшую интенсивность будут иметь коле­бания, совпадающие с вершиной спектральной линии (см.рис.6.6).

Основные элементы лазера

Каждый лазер имеет следующие основные элементы:

а) активную среду (активный элемент), в кокорой создаётся инверсия населённость энергетических уровней микрочастиц (атомов, молекул, ионов) и возникает световой луч;

б) систему накачки - устройство для создания инверсии а активной среде;

в) оптический резонатор - устройство для обеспечения положи­ тельной обратной связи.

По перечисленным признакам лазеры подразделяются на отдель­ные группы.

По типу применяемого вещества активного элемента лазеры раз­деляются на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводнико­вые. Последние являются также твердотельными, но отличаются от них характером генерации. Поэтому они выделяются в отдельную группу. Внутри каждой группы определяются подгруппы. Например, газовые ла­зеры подразделяются на молекулярные, атомные, ионные.

Различают лазеры по способам накачки. Применяют оптическую накачку при облучении светом; электрическую при прохождении элект­рического тока через активное вещество; химическую, когда инвер­сия возникает вследствие химической реакции; газодинамическую, при которой инверсия обеспечивается при нагреве и быстром охлаждении в сверхзвуковом потоке газа.

Во типу резонаторов принято подразделять лазеры на линейные (см.рис.6.4) и кольцевые.

Лазеры излучают световой поток в непрерывном или импульсном режимах с длительностью t_и=10^-3...10^-12 с.

Порядок проведения работы

1. Изучить физические основы работы лазеров по данному руко­водству.

2. Изучить конструкцию твёрдотельного лазера непрерывного из­лучения ЛТН-102А по его техническому описанию.

3. Изучить правила техники безопасности при работе на лазе­рах.

4. Наблюдать работу лазера ЛТН-102А и записать показания при­ боров в таол.6.1 отчета.

5. Заполнить отчёт по работе.

6. Защитить отчет и ответить на вопросы преподавателя.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое лазер?

2. Каков механизм спонтанного и индуцированного излучения фо­тонов? Какой из этих типов излучения используется в лазерах?

3. Что такое инверсия населенностей энергетических уровней?
Как она создается и используется в лазерах?

4. Поясните работу квантового генератора.

5. Каковы основные элементы лазеров? Назовите существующие группы оптических квантовых генераторов.

 

ОТЧЕТ