Презентация на тему Предпосылки создания лазера

и испускания света атомами, созданная Эйнштейном в 1916 г.
Взаимодействие

фотонов с системой (атомы и молекулы)

Спонтанное излучение – имеет случайный характер: фазы, направление распространения, поляризация световых волн, излучаемых различными атомами,
не согласованы друг с другом

Излучение ансамбля частиц – некогерентно

Испускаемый фотон не отличим от фотона, который вызвал его появление.
Частота, фаза, направление распространения совпадает с фотоном, вызвавшим его излучение.

Вынужденное излучение – когерентно

Вместо одного фотона → два, т.е. возможно усиление

Необходимое условие

Термодинамическое равновесие
Формула Больцмана
N2= N1exp[-(E2-E1)/kT]
В обычных условиях N2<Необходимо создать инверсную населенность уровней, т. е. N2>N1

среда с инверсной населенностью уровней, в которой происходит вынужденное

излучение (атомы, молекулы)
2. Источник накачки, создающий инверсную населенность уровней в активной среде
3. Резонатор – обеспечивает обратную связь и генерацию когерентного излучения

Первый лазер США
Маймана (1960 г.)

Первый газовый лазер (1961 г.) (He-Ne)
А. Джаван (США)

Схема рубинового лазера

Осциллограмма излучения рубинового лазера (0.5 мс/дел). а) до порога; б) после порога

Активная среда:
смесь газов He+Ne
Длина разрядной (Р=5 тор) трубки L=100 см
Накачка - СВЧ-разряд (30 МГц)
Резонатор (многослойные диэлектрические зеркала R ≥ 99%
λген=1,15 мкм (первые опыты)
λген=632,8 мкм (красный луч)

1. Рубиновый стержень
Al2O3+Cr3+ (0.05)
2. Зеркала резонатора – алюминий, нанесенный на торцы стержня
3. Источник накачки: спиральная ксеноновая лампа Eпор=(CU2/2) ≈ 1 кДж

λ=694,3 нм

Ei – поглощение
Ei – Ek = hνik – излучательный

переход

Ai = 1/τi – вероятность перехода – среднее число фотонов, испускаемых одной частицей за 1 секунду
τi – время жизни частицы в определенном энергетическом состоянии
Ai = Σ Aik – излучательный переход

Aik - коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения

Вынужденные переходы происходят под действием внешнего излучения с частотой ν, удовлетворяющей условию:
hνik = Ei – Ek
Zki = BkiNkρν – число поглощенных квантов за 1 с в 1 см3
Zbik = BikNiρν – число испущенных квантов под воздействием излучения
Zik = AikNi

Zik + Zbik = Zki

Bki - коэффициент Эйнштейна , соответствующий поглощению
Bik - коэффициент Эйнштейна , соответствующий вынужденному излучению

Бугера

- усиление света

(1)
(2)
условие инверсной населенности

(3)
(5)
(4)
- насыщенный коэффициент усиления

- интенсивность насыщения

, где

τ - время жизни верхнего уровня

коэффициент Эйнштейна,
соответствующий поглощению

Пример

Видимая область спектра: λ = 5∙ 10-4 см

1Вт= 107 эрг/с, т.е.

hυ= 4∙10-19 Вт∙с=4∙10-19 Дж

Ϭ=10-16 см2

τ=10-6 с

если

,тогда

K0

K0/2

I

Is

K0

υ

I = 0

I > 0

в стационарном режиме
Пример
l – длина активной среды
r1, r2

– коэффициенты отражения зеркал

друг к другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активная

среда

Резонатор лазера ограничен лишь двумя поверхностями и открыт с других сторон, поэтому он называется открытым резонатором

Обеспечить многократное прохождение света через активную среду – увеличение эффективности усиления
Обеспечить направленность излучения лазера (селекция угловых типов колебаний)
Обеспечить монохроматичность и когерентность излучения лазера (селекция спектра)

Назначение резонатора

Отражающие поверхности могут представлять собой зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические);
грани призм полного внутреннего отражения, дифракционные решетки

Разновидности активных резонаторов: 1 – зеркало резонатора; 2 – полированная поверхность; 3- призма полного внутреннего отражения;
4 – активное твердое вещество;
5 – трубка с газовой смесью;
6 – окно Брюстера; 7 – сильфон;
8 – полупрозрачное зеркало

Схема кольцевого ОКГ

плоских зеркал
Плоские зеркала резонатора должны юстироваться с высокой точностью.

Так, например, для газовых лазеров параллельность зеркал должна быть не хуже ±1'! Точность юстировки определяется коэффициентом усиления активной среды.
Качество обработки поверхности зеркал – высокое (ΔN≈0.01)
Отражающее покрытие, как правило – многослойные диэлектрические покрытия
R1 ~ 1, R2 – обеспечивает вывод излучения из резонатора. Величина пропускания зависит от коэффициента усиления среды.
Усиление должно скомпенсировать потери в резонаторе.
Для ликвидации потерь, например, на френелевское отражение на границе двух сред – границу (окна, стенки кристалла) располагают под углом Брюстера
В резонаторе устанавливается поляризация с наименьшими потерями

Зависимость коэффициента отражения на пластинке от угла падения для различной ориентации плоскости поляризации падающего излучения

Вид газовой кюветы в ОКГ с внешним расположением зеркал

на поверхности зеркал и определенным числом полуволн, укладывающихся на

длине резонатора

Теория открытых резонаторов Л. А. Вайнштейн
Теория на основе принципа Гюйгенса-Френеля развита Фоксом и Ли

Моды резонатора обозначаются
ТЕМmnq

m и n – целые числа, равные 0, 1, 2.. – обозначают число изменений знака поля на поверхности зеркал -
поперечные моды
q – равно числу полуволн, укладывающихся на длине резонатора – продольные моды

Зависимость потерь мощности за один проход волны от числа Френеля N для круглых плоских зеркал

Распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка в некоторых случаях

(мод) зависит от дифракционных потерь на краях зеркал.
Дифракционные потери

увеличиваются с ростом индекса моды.
Величина дифракционных потерь зависит от параметра резонатора, который называется
число зон Френеля


где а – диаметр амплитуды зеркала резонатора,
L – длина резонатора, λ – длина волны излучения
Например, a = 0.5 см, L= 100 см, λ = 1.15 мкм (He-Ne лазер)


Потери определяются по формуле (приближенной при N > 10)

Расчеты выполнены Фоксом и Ли

Угловая расходимость зависит от модового состава

Для ТЕМ00 моды

Для конфокального резонатора

b - расстояние между зеркалами

Селекция поперечных мод
- улучшение угловой расходимости
Увеличение длины резонатора
Разъюстировка зеркал
Дифрагмирование пучка

г.:
Δυген=2 Гц
Реально 10÷100 КГц:вибрация, ΔT, неоднородность активной среды

Многочастотный –

несколько продольных типов колебаний
Многомодовый – несколько поперечных типов колебаний

Достижения одночастотного режима

Уменьшение мощности – до порога генерации
Укорочение резонатора
Трехзеркальный резонатор

Временная когерентность излучения лазера

q – целое число

Контур линии усиления

Уширения

1. Естественная ширина линии

2. Доплеровская ширина линии

где T – температура газа, М – масса частиц

3. Столкновительное (лоренцевское) уширение

(теория)

Полностью отражающее зеркало

Частично отражающее зеркало

Достигнуто

Длина когерентности

L=Δτ∙c=3 ∙1010см/с ∙10-2 с=3 ∙108 см