Astronet > Lazery i ih primenenie

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Lazery i ih primenenie

M. F. Sem (Rostovskii gosudarstvennyi universitet, Rostov-na-Donu)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 6, 1996 g. Soderzhanie

Princip raboty i ustroistvo lazera

Kak uzhe otmechalos', generaciya v lazere dostigaetsya za schet inducirovannogo izlucheniya na nekotorom perehode mezhdu urovnyami kvantovoi sistemy. Risunok 1 demonstriruet vozmozhnye perehody v prosteishei dvuhurovnevoi sisteme, kak vyzvannye polem (pogloshenie i inducirovannoe izluchenie), tak i ne zavisyashie ot nego (spontannoe izluchenie i bezizluchatel'naya relaksaciya).

Ris. 1. Vozmozhnye perehody v dvuhurovnevoi sisteme. Veroyatnosti: W_c - spontannogo izlucheniya, R - bezizluchatel'noi relaksacii, W₁₂ - poglosheniya, W₂₁ - inducirovannogo izlucheniya. n₂ i n₁ - plotnosti naselennostei, $\tau_2$ i $\tau_1$ - vremena zhizni urovnei. F₂ i F₁ - skorosti nakachki (chislo chastic, postavlyaemyh v edinicu vremeni i v edinicu ob'ema) na urovni 2 i 1.

V otsutstvie vneshnego polya spontannoe izluchenie i bezizluchatel'nye relaksacionnye processy opredelyayut vremya zhizni chasticy v vozbuzhdennom sostoyanii ( $\tau_2$ i $\tau_1$ na ris. 1) Iz-za konechnosti etogo vremeni (i iz-za drugih prichin, naprimer doplerovskogo smesheniya chastoty dlya dvizhushihsya mikrochastic) liniya izlucheniya, sootvetstvuyushaya perehodu, okazyvaetsya ushirennoi [Sovetskaya enciklopediya, 1969]. Oboznachennye na risunke 1 veroyatnosti imeyut vid
$W_{12} = B_{21} \rho S(\nu), W_{21} = B_{12} \rho S(\nu)$
i zavisyat kak ot svoistv kvantovoi sistemy (cherez koefficienty Einshteina B₂₁ i B₁₂), tak i ot prilozhennogo polya - ob'emnoi plotnosti ego energii $\rho$ i sovpadeniya chastoty polya $\nu$ s central'noi chastotoi perehoda $\nu_0$ , chto uchityvaetsya special'noi funkciei $S(\nu)$ . Pri odinakovoi stepeni vyrozhdeniya urovnei B₂₁ = B₁₂ , W₂₁ = W₁₂ [Sovetskaya enciklopediya, 1969]. Pri etom, chtoby vynuzhdennoe izluchenie preobladalo nad poglosheniem, to est' chislo perehodov vniz W₂₁n₂ bylo bol'she chisla perehodov vverh W₁₂n₁, neobhodimo, chtoby n₂ > n₁: na verhnem urovne chastic dolzhno byt' bol'she, chem na nizhnem. Sreda, dlya kotoroi vypolnyaetsya uslovie n₂ > n₁, nazyvaetsya sredoi s invertirovannoi naselennost'yu, i uslovie inversii n₂ > n₁ yavlyaetsya neobhodimym usloviem dlya usileniya volny sredoi i raboty lazera. Yasno, chto pri termodinamicheskom ravnovesii inversiya sushestvovat' ne mozhet, poskol'ku, soglasno zakonu Bol'cmana,
$n_2 = n_1e^{-\frac{E_2 - E_1}{kT}},$
i na verhnem urovne chastic men'she, chem na nizhnem. Poetomu dlya polucheniya inversii sredu nuzhno uvesti ot sostoyaniya ravnovesiya. Inversiya naselennostei v lazerah dostigaetsya v rezul'tate sovmestnogo deistviya processov zaseleniya (nakachki) sootvetstvuyushih urovnei i ih dezaktivacii (ochistki). Soglasno risunku 1, dlya dostizheniya stacionarnoi inversii neobhodimo vypolnenie sootnosheniya
$F_2\tau_2 > F_1\tau_1,$
to est' proizvedenie skorosti nakachki na vremya relaksacii dlya verhnego urovnya dolzhno byt' bol'she, chem dlya nizhnego. Iz etogo sleduet, chto predpochtitel'noi yavlyaetsya selektivnaya nakachka i chto inversiya mozhet byt' dostignuta ne tol'ko za schet preimushestvennogo zaseleniya verhnego lazernogo urovnya, no i za schet vysokoi skorosti ochistki nizhnego. Zaselenie urovnei v lazerah mozhet osushestvlyat'sya [Karlov N.V., 1988, Tarasov L.V., 1981]: - za schet poglosheniya sveta (opticheskaya nakachka). Podbiraya istochnik sveta s sootvetstvuyushim spektrom, mozhno obespechit' vysokuyu selektivnost' nakachki. Naibolee uspeshno etot vid nakachki ispol'zuetsya v tverdotel'nyh (na kristallah i steklah) lazerah i v lazerah na krasitelyah. - v neuprugih stolknoveniyah atomov i molekul so svobodnymi elektronami, pri kotoryh chast' energii elektrona idet na vozbuzhdenie atoma ili molekuly. Svobodnye elektrony mogut sozdavat'sya ili v gazovom razryade, ili vvodit'sya v gaz v vide puchka, sformirovannogo v uskoritele. - za schet neuprugih stolknovenii atomov rabochego veshestva s vozbuzhdennymi atomami ili ionami vspomogatel'nogo gaza s peredachei energii vozbuzhdeniya ot nih rabochemu veshestvu. V nekotoryh tipah stolknovenii peredacha energii nosit rezonansnyi harakter i dostigaetsya vysokaya stepen' selektivnosti zaseleniya urovnei. - v processe special'no podobrannyh himicheskih reakcii (himicheskaya nakachka); pri etom vozbuzhdayutsya kolebatel'nye urovni molekul, prichem vozbuzhdenie mozhet byt' selektivnym. - za schet nagreva (teplovaya nakachka). Etot metod ispol'zuetsya dlya nakachki kolebatel'nyh urovnei v molekulah, inversiya na perehodah mezhdu kotorymi osushestvlyaetsya za schet razlichnyh vremen relaksacii dlya verhnego i nizhnego lazernyh urovnei pri bystrom adiabaticheskom rasshirenii gaza. Na etom principe osnovana rabota gazodinamicheskih lazerov. Ochistka vozbuzhdennyh sostoyanii osushestvlyaetsya: spontannym izlucheniem; v stolknoveniyah s elektronami ili atomami primesnogo gaza, pri kotoryh energiya vozbuzhdeniya peredaetsya ot rabochego veshestva elektronam ili atomam primesi; pri adiabaticheskom rasshirenii gaza; v special'no podobrannyh himicheskih reakciyah. Takim obrazom, sreda s inversiei naselennosti sposobna usilivat' svetovuyu volnu. Pri koefficiente usileniya na edinicu dliny $\alpha$ i dline sredy l podannyi na ee vhod signal intensivnost'yu I₁ budet usilen (pri otsutstvii nasysheniya) do znacheniya $I_2 = I_1 e^{\alpha l}$ na vyhode; to est' takim obrazom mozhet byt' realizovan opticheskii usilitel' kogerentnogo signala s koefficientom usileniya po moshnosti $G = e^{\alpha l}$ Chtoby prevratit' usilitel' v generator, neobhodimo organizovat' obratnuyu svyaz'. V lazerah ona dostigaetsya pri pomeshenii aktivnogo veshestva mezhdu otrazhayushimi poverhnostyami (zerkalami), obrazuyushimi tak nazyvaemyi "otkrytyi rezonator" za schet togo, chto chast' izluchennoi aktivnym veshestvom energii otrazhaetsya ot zerkal i opyat' vozvrashaetsya v aktivnoe veshestvo (ris. 2). Sleduet otmetit', chto sistema iz dvuh parallel'nyh zerkal obladaet rezonansnymi svoistvami - rezoniruet tol'ko na opredelennyh chastotah - i vypolnyaet v lazere eshe i tu rol', kotoruyu v obychnyh nizkochastotnyh generatorah igraet kolebatel'nyi kontur. Ispol'zovanie imenno otkrytogo rezonatora (a ne zakrytogo - zamknutoi metallicheskoi polosti - harakternogo dlya SVCh diapazona) principial'no, tak kak v opticheskom diapazone rezonator s razmerami $L = \lambda$ (L - harakternyi razmer rezonatora, $\lambda$ - dlina volny) prosto ne mozhet byt' izgotovlen, a pri $L \gg \lambda$ zakrytyi rezonator teryaet rezonansnye svoistva, poskol'ku chislo vozmozhnyh tipov kolebanii stanovitsya nastol'ko bol'shim, chto oni perekryvayutsya [Sovetskaya enciklopediya, 1969]. Otsutstvie bokovyh stenok znachitel'no umen'shaet chislo vozmozhnyh tipov kolebanii (mod) za schet togo, chto volny, rasprostranyayushiesya pod uglom k osi rezonatora, bystro uhodyat za ego predely, i pozvolyaet sohranit' rezonansnye svoistva rezonatora pri $L \gg \lambda$ .

Ris. 2. Principial'naya shema lazera.

Odnako rezonator v lazere ne tol'ko obespechivaet obratnuyu svyaz' za schet vozvrata otrazhennogo ot zerkal izlucheniya v aktivnoe veshestvo, no i opredelyaet spektr izlucheniya lazera, ego energeticheskie harakteristiki, napravlennost' izlucheniya [Tarasov L.V., 1981]. V prosteishem priblizhenii ploskoi volny uslovie rezonansa v rezonatore s ploskimi zerkalami zaklyuchaetsya v tom, chto na dline rezonatora ukladyvaetsya celoe chislo poluvoln: $L = q \frac{\lambda}{2}$ (q - celoe chislo), chto privodit k vyrazheniyu dlya chastoty tipa kolebanii s indeksom q:
$\nu_q = q \frac{C}{2L}$
i rasstoyaniyu po chastote mezhdu sosednimi (q otlichaetsya na 1) modami:
$\Delta \nu_{\Box} = \frac{C}{2L}.$
Na risunke 3 priveden chastotnyi profil' koefficienta usileniya v rabochem veshestve (on opredelyaetsya shirinoi i formoi linii rabochego veshestva) i nabor sobstvennyh chastot otkrytogo rezonatora. Dlya ispol'zuemyh v lazerah otkrytyh rezonatorov s vysokoi dobrotnost'yu polosa propuskaniya rezonatora $\Delta \nu_p$ , opredelyayushaya shirinu rezonansnyh krivyh otdel'nyh mod (krivye 2-4 na ris. 3), i dazhe rasstoyanie mezhdu sosednimi modami $\Delta \nu_{\Box}$ okazyvayutsya men'she, chem shirina linii usileniya $\Delta \nu_{\Box}$ , prichem dazhe v gazovyh lazerah, gde ushirenie linii naimen'shee. Poetomu v kontur usileniya popadaet neskol'ko tipov kolebanii rezonatora.

Chastotnaya zavisimost' koefficienta usileniya v rabochem veshestve i popadayushie v kontur usileniya tipy kolebanii rezonatora

Ris. 3. Chastotnaya zavisimost' koefficienta usileniya v rabochem veshestve $\alpha$ (krivaya 1) i popadayushie v kontur usileniya tipy kolebanii rezonatora (2-4). Pri urovne poter' $\beta_1$ mogut generirovat' tri mody, pri $\beta_2$ - odna central'naya.

Takim obrazom, lazer ne obyazatel'no generiruet na odnoi chastote, chashe naoborot, generaciya proishodit odnovremenno na neskol'kih tipah kolebanii, dlya kotoryh usilenie $\alpha$ bol'she poter' v rezonatore $\beta$ (tri mody na ris. 3 pri $\beta = \beta_1$ ). Dlya togo chtoby lazer rabotal na odnoi chastote (v odnochastotnom rezhime), neobhodimo, kak pravilo, prinimat' special'nye mery (naprimer, uvelichit' poteri, kak eto pokazano na risunke 3) ili izmenit' rasstoyanie mezhdu zerkalami tak, chtoby i v kontur usileniya popadala tol'ko odna moda. Poskol'ku v optike, kak otmecheno vyshe, $\Delta \nu_{\Box} > \Delta \nu_p$ i chastota generacii v lazere opredelyaetsya v osnovnom chastotoi rezonatora, to, chtoby derzhat' stabil'noi chastotu generacii, neobhodimo stabilizirovat' rezonator. Itak, esli koefficient usileniya v rabochem veshestve perekryvaet poteri v rezonatore dlya opredelennyh tipov kolebanii, na nih voznikaet generaciya. Zatravkoi dlya ee vozniknoveniya yavlyayutsya, kak i v lyubom generatore, shumy, predstavlyayushie v lazerah spontannoe izluchenie.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: lazer - kvantovyi usilitel' - kvantovyi generator - kogerentnost' - inversnaya naselennost' - mazer - spontannoe izluchenie - vynuzhdennoe izluchenie - nakachka - opticheskii rezonator - moda kolebanii
Publikacii so slovami: lazer - kvantovyi usilitel' - kvantovyi generator - kogerentnost' - inversnaya naselennost' - mazer - spontannoe izluchenie - vynuzhdennoe izluchenie - nakachka - opticheskii rezonator - moda kolebanii

Sm. takzhe:

Luchi lazerov pomogayut uspokoit' atmosferu

Lazer b'et v centr Galaktiki

Ataka lazernoi opornoi zvezdy

Tumannost' s lazernymi luchami

Chetyre lazera nad Mauna Kea

Papa usmiryaet Omikron Kita

Lazernyi vystrel v centr Galaktiki

Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce