|
2.2 Принцип работы лазеров
2.2 Princip činnosti laserů
В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов.
Činnost laserů je založena na třech základních fyzikálních jevech: absorpce energie látkou, spontánní a stimulovaná emise vybuzená soustavou atomů.
Осуществление инверсии населенности в веществе может происходить за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процессы условно называют «накачкой».
K inverzi populace v látce může dojít v důsledku absorpce energie vnějšího elektromagnetického záření nebo jinými vlivy (například vybuzením elektrony). Tento proces bývá označován jako „buzení“.
Следует заметить, что хотя возбужденные атомы могут иметь большое количество энергетических уровней, переходы возможны только между двумя соседними.
Je nutné poznamenat, že ačkoliv mohou mít vybuzené atomy velké množství energetických hladin, tak k přechodům může docházet pouze mezi dvěma sousedními hladinami.
На рисунке 3.1 в качестве примера рассмотрены схемы оптической накачки и получения лазерного излучения при наличии трех и четырех энергетических уровней. Первая схема (рис. 3.1, а) реализована Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (1955 г.) в активной среде рубина с примесью хрома.
Na obrázku 3.1 jsou jako příklad znázorněna schémata optického buzení a vznik laserového záření v atomech o třech nebo čtyřech energetických hladinách. Autorem prvního schématu (obr. 3.1, a) jsou N. G. Basov a A. M. Prochorov (rok 1955). Aktivní prostředí tvoří rubín s příměsí chromu.
Рис. 3.1. Схемы накачки:
а) трехуровневая схема б) четырехуровневая схема
Obr. 3.1. Schémata buzení:
-
tříhladinové schéma b) čtyřhladinové schéma
В результате оптической накачки повышается энергия на уровне 3 за счет перевода атомов с основного в возбужденное состояние и осуществляется переход 3→2 в ионах хрома безизлучательным путем. Вероятность перехода 3→2 значительно больше, чем 2→1, в силу чего происходит накопление энергии на уровне 2. Поскольку создается инверсия населенностей, возникает вынужденное излучение 2→1.
V důsledku optického buzení dochází ke zvýšení energie na 3. hladině. Díky přechodu atomů ze základního stavu do vybuzeného se uskutečňuje přechod iontů chromu z 3→2 nezářivým způsobem. Pravděpodobnost přechodu z 3→2 je výrazně větší, než z 2→1, přičemž dochází k nahromadění energie na 2. hladině. Jelikož dochází k vytvoření inverze populace, tak při přechodu z 2→1 vzniká stimulovaná emise.
При четырехуровневой схеме (рис. 3.1, б) (неодимовое стекло и кристалл граната с примесью ионов неодима) за счет накачки повышается энергия четвертого уровня ионов неодима. Здесь вероятности переходов 4→3 и 2→1, осуществляемых безизлучительными процессами, больше, чем квантового перехода 3→2. Поэтому на уровне 3 создается инверсия населенности и возникает лазерное излучение 3→2.
Při čtyřhladinovém schématu (obr. 3.1, b) (nutná přítomnost skla a krystalu granátu s příměsí iontů neodymu) dochází v důsledku buzení ke zvýšení energie iontů neodymu na čtvrté hladině. Zde je pravděpodobnost přechodu z 4→3 a z 2→1, k nimž dochází nezářivými procesy, vyšší, než u kvantového přechodu z 3→2. Z tohoto důvodu se na 3. hladině vytváří inverze populace a při přechodu z 3→2 vzniká laserové záření.
Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения
в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения.
Důležitým předpokladem pro činnost laseru je zesílení laserového záření v takzvaném aktivním prostředí za účelem lavinového množení kvant záření. Je zřejmé, že čím více je aktivního prostředí a hladin buzení, tak tím vyšší je intenzita záření vycházejícího z aktivního prostředí.
С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования. На рисунке 3.2 схематично показан резонатор, основанный на этом принципе.
Pomocí rovinných paralelních zrcadel, z nichž jedno je polopropustné, je možné prodloužit průchod záření aktivním prostředím a vytvořit tak podmínky pro jeho zesílení a generování. Na obrázku 3.2 je schematicky znázorněn rezonátor, který je založený na tomto principu.
Первоначально (а) все атомы активной среды (вещества) находятся в основном состоянии кроме трех. Внешнее электромагнитное поле переводит часть атомов в возбужденное состояние ‒ происходит процесс поглощения (б). При этом спонтанно возникшие фотоны (в), двигающиеся вдоль оси активной среды, отражаясь от зеркал резонатора (в, г), каждый раз будут вызывать вынужденное излучение идентичных фотонов. Спонтанно излученные фотоны, имеющие другие направления, будут выходить из активной среды. Вынужденное излучение возбужденных атомов приведет к лавинному процессу рождения фотонов, подобных первичным (г, д).
Na začátku (a) se nachází všechny atomy v aktivním prostředí (látky) kromě třech v základním stavu. Vnější elektromagnetické pole přivede část atomů do vybuzeného stavu - probíhá proces absorpce (b). Zároveň budou spontánně vzniklé fotony (c), které se pohybují podél osy aktivního prostředí a odrážejí od zrcadel rezonátoru (c, d), neustále způsobovat stimulovanou emisi identických fotonů. Spontánně vyzářené fotony, které mají jiný směr, budou vycházet z aktivního prostředí ven. Stimulovaná emise vybuzených atomů způsobí lavinový efekt a vznik fotonů, které jsou podobné primárním (d, e).
Рис. 3.2. Схема работы активной среды в резонаторе с плоскопараллельными зеркалами:
1 ‒ глухое зеркало 2 ‒ активная среда 3 ‒ полупрозрачное зеркало
о ‒ невозбужденные атомы (основное состояние) • ‒ возбужденные атомы
Obr. 3.2 Schéma činnosti aktivního prostředí v rezonátoru s rovinnými paralelními zrcadly:
1 ‒ zakalené zrcadlo 2 ‒ aktivní prostředí 3 ‒ polopropustné zrcadlo
o – nevybuzené atomy (základní stav) • ‒ vybuzené atomy
Этот процесс будет продолжаться до того времени (д), пока интенсивность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения (4). Для получения усиления вышедшие из резонатора волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции (сложении) результирующая амплитуда стала максимальной.
Tento proces bude probíhat do té doby (e), dokud intenzita záření nedosáhne své prahové hodnoty. Poté se objeví usměrněný svazek laserového záření (4). Za účelem získání zesíleného paprsku vycházejícího z rezonátoru je nutné, aby měly všechny vlny stejnou fázi, jelikož by jinak při jejich interferenci (skládání) nemohla být výsledná amplituda maximální.
Do'stlaringiz bilan baham: |
