Принципы усиления света
Волны света, распространяясь в веществе, могут передавать энергию атомарным системам. Луч, попадая на кристаллическую решётку, может изменять состояние атома. Атом, получая дополнительную энергию, которую ему передал свет, совершает переход в возбуждённое состояние. Таким образом, за счет поглощения увеличивается внутренняя энергия атомов, он переходят со своих обычных энергетических уровней на более высокие. Некоторая доля данной энергии трансформируется в тепловые колебания решетки. Остальную же часть энергии поглощения атомы могут испустить как фотон, что есть не что иное, как излучение. Излучение бывает спонтанным и вынужденным. И исключительно вынужденные переходы ведут к усилению излучения потока фотонов, так как для них выполняются условия когерентности. Спонтанное излучение направлено во все стороны.
Статья: Лазеры
Для интенсивности излучения света в прямом направлении имеем:
$I\left(z\right)=I_0{exp \left(-\alpha z\right)\ }\left(1\right),$
где $\alpha $ — коэффициент поглощения света, который равен:
$\alpha =\hbar \omega B\left(N_0-N_1\right)\frac{n}{c}\left(2\right),$
$N_1$ — равновесная населенность возбужденного уровня, $N_0$ — населенность основного уровня. Равновесная населенность уровня возбуждения меньше, чем основного, при прохождении вещества излучение ослабляется. Иногда вместо коэффициента поглощения используют величину сечения поглощения, равную:
$\sigma =\frac{\alpha }{N_0-N_1}\left(3\right).$
Добившись изменения знака $\alpha $ можно получить оптическое усиление. Необходимо получить ситуацию, при которой населенность возбужденного уровня была бы даже немного больше, чем населенность основного уровня, то есть, получена инверсионная населенность среды. В двухуровневой схеме такую ситуацию нельзя получить.
Для получения инверсной населенности и реализации оптического усиления на частоте резонанса применяют трех- и четырехуровневые схемы. В трехуровневой схеме первого рода (рис.1) накачка реализуется в систему энергосостояний $1 \ c$ небольшим временем жизни и быстрой релаксацией на метастабильный уровень $2$. Для того чтобы на уровне $2$ была получена инверсия, следует накопить там более половины атомов.
Рисунок 1. Трехуровневая схема первого рода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В трехуровневой схеме второго рода (рис.2) инверсию создают между метастабильным уровнем $1$ и возбужденным уровнем $2$. Из-за высокого положения и быстрой релаксации населенность уровня $2$ может быть мала. Следовательно, для того, чтобы получить инверсию, число атомов на уровне $1$ может составлять очень небольшую часть общего их количества.
Рисунок 2. Трехуровневая схема второго рода. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Четырехуровневая схема является комбинацией двух трехуровневых.
Минимальная энергия накачки, которая необходима для одного вынужденного фотона, равна $\hbar {\omega }_{01}$. КПД оптического усилителя в трехуровневой схеме не может быть больше, чем $\frac{\hbar {\omega }_{20}}{\hbar {\omega }_{01}}$. КПД в четырехуровневой схеме не более $\frac{\hbar {\omega }_{23}}{\hbar {\omega }_{01}}$.
Каждый усилитель сигнала можно преобразовать в генератор добавив обратную связь, при этом некоторая доля выходного сигнала направляется на вход.
Лазером называют генератор когерентного оптического излучения, который основывается на вынужденном излучении в среде, которая имеет инверсную населенность. При этом обратная связь реализуется с использованием незамкнутого (открытого) резонатора. В самом простом случае резонатором является интерферометр Фабри — Перо.
Типы лазеров, их основные структурные компоненты
Основными из существующих типов лазеров являются: твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные. Основой такого деления служит тип активной среды. Если используется более точная классификация, то она учитывает методы накачки (оптические, тепловые, химические, электроионизационные и другие), а также режим генерации (непрерывный и импульсный).
К обязательным составным частям лазера относят:
- Активную среду. В ней создаются состояния с инверсией населенностей.
- Систему накачки. Оно создаёт инверсию в активной среде.
- Оптический резонатор. Данное устройство выделяет в пространстве направление пучка фотонов и формирует пучок света.
Примеры лазеров
Рубиновый лазер. Первая лазерная генерация была реализована на кристалле рубина, химически это был корунд $({Al}_2O_3)$, в котором часть трехвалентных ионов алюминия замещены ионами хрома (около $0,05 \%$). Накачка рубина реализуется светом мощных вспышек ламп. Ионы хрома имеют сильное поглощение на двух полосах в сине — зеленой области спектра. Свет, волны которого имеют частоту, соответствующую данным полосам, переводит ионы хрома на уровни $F^4$ (рис.3).
Рисунок 3. Рубиновый лазер. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Процесс быстрой релаксации на верхний лазерный уровень $E^2$ с большим временем жизни дает возможность накопить на данном уровне больше половины атомов. Так создается инверсная населенность между уровнем $E^2$ и основным состоянием, которое является нижним лазерным уровнем. Рубиновый лазер является трехуровневым первого рода. Режим работы рубинового лазера — импульсный (длительность генерации $1$ мс). Если энергия в импульсе несколько джоулей, то мощность индуцированного лазерного излучения будет составлять десятки киловатт. Генерация идет на длинах волн красной части спектра.
Изобретен в $1960$ г. Т. Мейманом.
Неодимовый лазер. Активным элементом неодимового лазера служит кристалл алюмо — иттриевого граната ($Y_3{Al}_2O_{15}$ или $YAG$). В нем часть ионов $Y^3$ замещают ионами ${Nd}^3$. Импульсный режим генерации проводится на менее теплопроводном стекле, которое активировано ионами неодима ${Nd}^3$. Когерентное излучение в инфракрасном диапазоне получается в четырехуровневой схеме с оптической накачкой. Нижний лазерный уровень находится выше основного состояния на $0,3$ эВ, его населенность в $e^{10}$ раз меньше населенности основного состояния. Инверсную населенность получить легче, чем в рубиновом лазере.
Гелий — неоновый лазер. Самый распространённый в настоящее время лазер. Газовая смесь заключается в электрический разрядник. Накачка реализуется через неупругие столкновения атомов $He\ и\ Ne$ с электронами, которые разгоняются высоким напряжением. При каскадной релаксации возбужденных атомов гелия к основному состоянию многие из них собираются на долгоживущих метастабильных уровнях. Так как данные уровни почти совпадают по энергии с уровнями $2s$ и $3s$ неона, во время столкновений идет передача возбуждения. Выполняя спектральную выборку можно настроить лазер на одну из трех длин волн: красную или две инфракрасные.
По схеме гелий - неоновый лазер относят к трехуровневым $2$ рода. Оба нижних лазерных уровня ($2p$ и $3p$) расселяются радиационно, с постоянной времени около ${10}^8с$, следовательно, не требуется для получения инверсии переводить на верхний лазерный уровень более половины всех атомов. Генерация может реализовываться в постоянном режиме.
Существуют также: лазеры на углекислом газе, ионные лазеры, эксимерные лазеры, лазеры на красителях, полупроводниковые лазеры, химические лазеры, лазеры на свободных электронах, совершающих колебательные движения под действием внешнего электромагнитного поля и другие.
Задание: Почему в двухуровневой схеме невозможно получить инверсии населенностей?
Решение:
В соответствии с принципом детального равновесия при увеличении числа переходов с основного уровня на возбужденный происходит рост количества обратных переходов. При этом конкретный механизм, который вызывает переходы, не имеет значения. При большой вероятности перехода населенности уровней становятся почти равными (условие насыщения) ($N_1=N_0$), то есть процессы вынужденного излучения, и поглощения взаимно компенсируются, при этом вещество становится прозрачной.
Эксимерные лазеры - это молекулярные лазеры, которые используют молекулярные переходы. Они существуют только в возбужденном состоянии. В основном состоянии атомы эксимера отталкиваются. Сразу после генерации молекула диссоциирует и нижний лазерный уровень всегда остается пустым. Данный факт облегчает получение инверсии и увеличивает эффективность накачки. Рабочие лазерные уровни обладают высокой энергией. Эксимерные лазеры генерируют в коротковолновой части спектра. Так, ксеноновый лазер излучает в области вакуумного ультрафиолета. Другая особенность эксимерных лазеров — это возможность перестройки частоты генерации, поскольку нижний лазерный уровень очень широк вследствие короткого времени жизни.
