Общие принципы работы лазеров
Первые практически действующие лазеры появились в 1960 году [5]. О важности разработки этих приборе» свидетельствует тот факт, что авторы их создания (академики Басов, Прохоров и американский физик Таунс) были удостоены Нобелевской премии.
Лазером называют обычно генератор колебаний оптического диапазона длин волн. Сам термин лазер (laser) является аббревиатурой от английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (что в переводе стачает усиление света посредством стимулированного излучения), записанной русскими буквами. Хотя в переводе термина лазер с английского языка речь идет не о генерации, а об усилении колебаний, это не имеет принципиального значения), так как любой усилитель можно превратить в генератор выделением цепи обратной связи.
Рис. 38. Обобщенная блок-схема автогенератора
Это положение проиллюстрировано на рис.38, где "К" - усилитель с коэффициентом усиления |К| > 1, "β"- цепь обратной связи с коэффициентом передачи |β| < 1. При |Кβ| = 1 наступает режим генерации.
Усилителем в лазерах служит обычно некоторая активная среда - вещество, которое при подаче энергии извне (её называют энергией накачки) приобретает способность усиливать оптические колебания в некотором диапазоне длин волн Δλ. В зависимости от агрегатного состояния активной среды лазеры называют твёрдотельными, жидкостными, газовыми В особый класс выделяют еще полупроводниковые лазеры.
|
|
|
Для измерения расстояний до спутников используются твёрдотельные лазеры. Лазером первого поколения был рубиновый лазер. Рубиновый стержень, выращиваемый в специальных ростовых камерах, представляет собой кристаллическую окись алюминия, в которую добавлены трёхвалентные положительные ионы хрома, играющего роль активатора (Al2O3:Cr3+). Принцип работы лазера рассмотрим на примере рубинового лазера. Энергию накачки в рубиновых лазерах обеспечивает газоразрядная ксеоновая (или ртутная) лампа, спектр излучения которой близок к спектру поглощения рубина. Лампа накачки помещается над рубиновым стержнем и при помощи специального поджигающего устройства работает в импульсном режиме. Длительность импульса составляет около 10-3 секунды. Цепью обратной связи служит, как правило, открытый оптический резонатор - пара зеркал, установленных по обе стороны от активной среды таким образом, что они возвращают выходящее излучение обратно в эту среду. Одно из этих зеркал глухое с коэффициентом отражения близким к 100%, а другое полупрозрачное, чтобы выводить излучение для дальнейшего использования. Оптический резонатор помещается в кварцевую трубку, стенки которой играют роль отражателя (они фокусируют излучение лампы накачки на рубиновом стержне). Блок схема рубинового лазера показана на рис. 39
|
|
|
Рис. 39. Схема лазера с модуляцией добротности
При облучении рубинового кристалла потоком фотонов от лампы накачки электроны ионов хрома, поглощая фотоны излучения накачки, могут переходить из основного состояния в возбуждённые состояния, запасая при этом некоторое количество энергии. Для атомов или ионов любого вещества характерен определенный дискретный набор возможных возбужденных состояний (энергетических уровней), причём каждому энергетическому уровню присуще определённое "время жизни" - средняя продолжительность пребывания атома в данном возбуждённом состоянии, после чего накопленная пребывания атома в данном возбужденном состоянии, после чего накопленная им энергия теряется, и атом переходит на более низкий энергетический уровень (в состояние с меньшим запасом энергии).
Упрощенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине и «продолжительность жизни» на каждом из них показана на рис. 40, а зависимость населённости энергетических уровней от плотности мощности накачки представлена в виде графиков на рис. 41.
|
|
|
Рис. 40. Упрошенная схема Рис. 41. Зависимость населенности
энергетических уровней иона хрома энергетических уровней ионов хрома
в рубине в рубине от плотности мощности накачки
Структура энергетических уровней создаёт возможность накопления возбужденных ионов на уровне 2. Попавшие на уровень 3 ионы очень быстро оказываются «сброшенными» на уровень 2, и если источник накачки еще продолжает действовать, переводя на верхний уровень все новые ионы из основного состояния, то через некоторое время большинство их накопится на метастабильном уровне.
Ситуация, при которой населённость уровня с большей энергией выше населенности уровня с меньшей энергией, называется "инверсией населённости". Ионы, переходящие с уровня 2 на уровень 1, отдают накопленную энергию и виде фотонов с энергией, соответствующей разности энергий этих состояний: hv – Е21. До тех пор, пока не достигнуто состояние инверсии населенности возникает красное свечение, представляющее собой излучение с узким спектром. Отдельные акты испускания фотонов при этом не связаны между собой, каждый возбуждённый ион испускает "свою" волну, отличающуюся от других по частоте, фазе и поляризации. Такое излучение называется спонтанным. Однако при взаимодействии излученного фотона с возбужденной средой может происходить и другой, процесс - стимулированное (вынужденное) излучение, при котором дополнительно испускаемый фотон "жёстко" связан с первым, вынуждающим, по частоте, фазе и поляризации, так что их совместное излучение представляет собой единую волну (λ = c/v = 6943 им). При достижении инверсии населенности стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. Коэффициент поглощения α активной среди на частоте, соответствующей переход иона с метастабильного уровня на основной, становится отрицательным и в соответствие с законом Бугера I1 = I0e-d, интенсивность излучения в конце участка I1, будет больше интенсивности в начале участка I0, т.е. среда приобретает усиливающие свойства. Поскольку такая среда помещена в оптический резонатор (т.е. создана обратная связь) и если инверсия населённости достаточна для получения усиления, компенсирующего потери в резонаторе и в самой активной среде, то возникает генерация; получаема лазер. Излучение при этом представляет собой «гребенку» импульсов длительностью 10-6 секунды, разделённых короткими временными промежутками длительностью в несколько микросекунд. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации. На рис.42 вместе с формой импульса излучения лампы накачки показана временная диаграмма лазерного.
|
|
|
Рис. 42. Зависимость мощности излучения лампы накачки и лазера от времени в режиме свободной генерации
Для измерения расстояний с помощью лазера нужен одиночный мощный импульс как можно меньшей длительности, чтобы получить максимальную точность определения дальности, поэтому режим свободной генерации не удобен для этих целей.
Для обеспечения работы лазера в режиме измерения расстояний применяется режим импульсного включения добротности. В этих целях используются механические, электрооптические и фототропные затворы, которые включаются на очень короткое время ближе к концу работы лампы накачки. Большую же часть времени в оптическом резонаторе искусственно поддерживаются большие потери (резонатор разъюстирован и, значит, его добротность мала). В течение этого времени возбужденные ионы хрома накапливаются на метастабильном энергетическом уровне. Во время же включения затвора добротность резонатора резко возрастает и происходит излучение в виде мощного импульса (рис.43).
Рис. 43. Зависимость мощности излучения лампы накачки и лазера от времени в режиме импульсного включения добротности
Рассмотренный здесь рубиновый лазер используется для измерения не очень больших расстояний, кроме того, он имеет небольшой коэффициент полезного действия (1% - 1.5%).
Для измерения больших расстояний нужны мощные лазеры. В космической геодезии в этих целях используются лазеры второго, третьего, четвертого и пятого поколений. Активной средой в этих лазерах служит алюмоитгриевый гранат с неодимом, имеющий четырёхуровневую структуру энергетических уровней (рис. 44).
Рис. 44. Упрощенная схема энергетических уровней иона неодима в алюмоиттриевом гранате
Разница по сравнению с 3-уровневой структурой состоит в наличии у ионов неодима дополнительного уровня 2, расположенного над основным состоянием и характеризующегося малым временем жизни. Излучение источника накачки переходит ионы неодима из основного состояния на уровень 4, откуда они посредством безызлучательного перехода быстро опускаются на метастабильный уровень 3 и здесь накапливаются. В среднем через 2*10-4 с. каждый из оказавшихся здесь ионов испускает фотон с энергией hv = E32 на длине волны λ = 1064 нм, соответствующей разности энергий нона на уровнях 3 и 2, и попадает на лабильный уровень 2, откуда быстро возвращается в основное состояние на уровень 1.
Рис. 45. Зависимость населенности энергетических уровней ионов неодима в алюмоиттриевом гранате от плотности мощности накачки
Точка инверсии населённости для четырехуровневой структуры (рис.45) соответствует значительно меньшей плотности потока излучения накачки, чем для 3-уровневой. КПД гранатового лазера в 2-3 раза выше, чем у рубинового лазера.
Излучение алюмоиттриевого лазера лежит в инфракрасном диапазоне длин волн, излучение же лучше всего воспринимается глазом и фотоэлектрическими приёмниками в сине-зелёном участке спектра. Преодолеть эту трудность помогают преобразователи частоты оптического излучения; наиболее распространёнными из них являются умножители частоты. Для этого используют нелинейные свойства некоторых оптически прозрачных кристаллов: при воздействии на них мощного электромагнитного поля оптической частоты происходит изменение диэлектрических параметров по нелинейному (квадратическому или более сложному) закону. В результате в спектре появляются компоненты кратных частот (высшие гармоники). Поставив на пути излучения, прошедшего через кристалл, светофильтр или дисперсионную призму, можно выделить, например, компоненту с удвоенной частотой (вторую гармонику). Схема лазера с удвоением частоты на выходе показана на рис. 46.
Рис. 46. Сема лазера с удвоением частоты на выходе
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 25; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!