Особенности конструкции газовых лазеров. Газовый разряд. Процессы, приводящие к инверсии заселенностей в плазме газового разряда

Лабораторная работа №7

ИЗУЧЕНИЕ ГЕЛИЙ–НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: объяснить принцип работы и исследовать свойства излучения лазера.

Приборы и принадлежности: лазер, поляризатор, спектрограф-51.

Введение

В 50-х годах зародилась, и начала интенсивно развиваться область физики, получившая название квантовой электроники. Основной ее задачей является получение и усиление излучения с помощью квантовых систем - квантовых усилителей и генераторов, каковыми являются атомы, молекулы вещества в различных агрегатных состояниях.

В основе таких квантовых приборов лежит явление индуцированного излучения, открытое Эйнштейном в 1916 году. Первые предложения о практическом использовании эффекта индуцированного излучения были сделаны в 50-х годах советскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, и независимо американским ученым Таундсом.

Определение условия усиления электромагнитной волны (излучения) в квантовой системе

Предположим, что через систему изолированных атомов, распространяется параллельный монохроматический пучок света, причем частота фотонов пучка равна частоте фотона, излучаемого при переходе 2®I (см.рис.1). Обозначим через: N₁ и N₂ заселенности соответствующих состояний. N₁+N₂=N₀ - полному числу атомов в единице объема.

Рис.1. Переходы в двухуровневой квантовой системе.

В отсутствие внешнего излучения атомы за время dt излучают энергию равную , (1)

где A_2I- вероятность спонтанного перехода 2®I.

В присутствии электромагнитного поля, за тот же промежуток времени будет излучена энергия:

, (2)

где B₁₂ и B₂₁ - вероятности индуцированного излучения 2®I и поглощения I®2, r_v - спектральная плотность электромагнитного поля на частоте ,

hv_2I - энергия одного кванта.

Таким образом, приращение энергии излучения в единице объема при наличии внешнего электромагнитного поля равно

, (3)

где использовано условие кратности вырождения уровней. Величина DW>0, если (N₂ - N₁)>0.

Итак, условие квантового усиления излучения в среде:

N₂> N₁, (4)

или N > N (4 а)

в случае невырожденных уровней.

В тех случаях, когда выполняется условие (4) или (4а) говорят, что среда обладает инверсной заселенностью. Это означает: для того, чтобы среда усиливала излучение, необходимо, чтобы число атомов в возбужденном состоянии было больше числа их в нижнем состоянии.

В обычных условиях энергетические уровни вещества заселены согласно закону распределения Больцмана:

(5)

Это означает, что всегда верхние уровни заселены меньше нижних. Состояние с инверсной заселенностью уровней вещества является неравновесным, и для создания его требуются затраты энергии в том или ином виде, которые осуществляются при «накачке». Методы накачки вещества с целью получения в нем инверсной заселенности разнообразны- оптическая накачка, электрический разряд, химические реакции, накачка электронным пучком и т.д.

Очень широкое распространение в квантовых приборах получили трёх и четырёхуровневые схемы накачки (рис.2). - частота перехода

а) б)

Рис.2 Схемы трех (а) и четырехуровневой (б) накачки рабочего вещества квантового генератора.

а) переход I®3 под действием накачки; 3®2 - безизлучательный; 2®I - рабочий переход.

б) I®4 - накачка; 4®3 - безизлучательный; 3®2 - рабочий; 2®I - релаксация в основное состояние.

Инверсная заселенность является необходимым, но не достаточным условием для генерации (т.е. создания незатухающих колебаний).

Согласно (3) изменение плотности потока энергии излучения dJ (плотность потока энергии излучения J = , ^{[ J ] =} ) после прохождения слоя вещества толщиной dx есть:

 

(6)

где - разность заселенностей уровней 2 и I,

^- так называемое сечение индуцированного излучения.

Решая уравнение (6) с граничным условием J=J₀ при х=0 имеем:

 

(7)

где - средняя длина, на которой фотон производит в инверсной среде квант вынужденного испускания. Но поскольку в среде имеются и потери, то генерация возможна только при условии, если индуцированное излучение компенсирует все потери в системе. С этой целью вещество помещается внутри оптического резонатора, образованного двумя параллельными зеркалами (рис.3) или другой конфигурации. (рис.4). Процесс усиления света в резонаторе происходит следующим образом. До включения лазера атомы газовой смеси преимущественно находятся в основном состоянии (рис.а, атомы изображены черными кружками).После включения лазера, т.е. когда происходит накачка,

Рис. 3. Схема резонатора. З и З - зеркала (для З - коэффициент отражения r = 1, для З - r <1). Внутри резонатора находится рабочее вещество - активный элемент. 1 - излучение, распространяющееся вблизи от резонатора, получает усиление при многократном прохождении;2 - излучение, выходящее из резонатора.

 

часть атомов переходит в возбужденное состояние (рис. б, в, г они изображены серыми кружками). Возбужденные атомы спонтанно (самопроизвольно) излучают фотоны в разных направлениях. Часть фотонов (они изображены на рис. б лучами 1) уходят из резонатора, а часть фотонов (они изображены на рисунке лучами 2) движутся по оси резонатора и взаимодействуют с возбужденным атомом, после чего этот атом под действием первичного фотона вынужденно (индуцированно) излучает фотон в том же направлении и с теми же параметрами, что и у первичного фотона. В результате вместо одного фотона по оси резонатора движутся два фотона. Процесс усиления потока фотонов за счет индуцированного излучения возбужденных атомов, а так же за счет многократного отражения от зеркал показан на рис.3(в, г). В итоге усиление испытывает только излучение, распространяющееся в малом телесном угле вблизи оси резонатора.

Одно из зеркал (З₂) делается полупрозрачным для вывода излучения из резонатора. Резонатор, кроме того, накладывает отпечаток на спектральный состав излучения. Устойчивому усилению в резонаторе подлежит только излучение таких длин волн, которые являются собственными колебаниями резонатора (стоячие волны).

Условие образования стоячих волн вдоль оси резонатора будет:

(11)

где -длина волны, n - показатель преломления среды, m -1,2,3... (число полуволн).

В оптических резонаторах номера собственных колебаний достигают значительных величин: m ~ 10⁵ и более. Из-за этого различие длин волн двух соседних типов колебаний или, как говорят, соседних мод, отличающихся номером на единицу, порядка D l @ l / m. Часто случается, что разница длин соседних мод не превышает полосы волн, в которой активная среда способна усиливать излучение. В этом случае спектр излучения лазера состоит из нескольких узких линий, разница длин волн которых составляет Dl_m. Число линий (число генерируемых мод) есть:

(12)

где - характерная ширина спектра излучения лазера (рис. 4), не оценивая величины характерной ширины спектра излучения лазера, заметим лишь, что поскольку коэффициент усиления в центре линии превышает коэффициент усиления в ее крыльях, то «центральные моды» усиливаются значительно сильнее крайних. Это приводит к резкому сужению характерной ширины спектра по сравнению со случаем, когда инверсная населенность отсутствует и ширина линии равна доплеровской.

Рассмотрим вопрос о расходимости излучения.

Расходимость излучения продольных мод (типы колебаний, фронт волны которых перпендикулярен оси резонатора) обусловлена, в основном, дифракцией на краях активного элемента лазера.

В случае цилиндрического активного элемента диаметра d, дифракционный угол имеет порядок:

Некоторый вклад (того же порядка величины) в расходимость излучения вносят поперечные моды, т.е. распространяющиеся под некоторым углом к оси резонатора.

Особенности конструкции газовых лазеров. Газовый разряд. Процессы, приводящие к инверсии заселенностей в плазме газового разряда

Принципиальная схема устройства газового лазера приведена на рис.4. Основными элементами лазера являются зеркала З₁ и З₂ образующие резонатор лазера, газоразрядная трубка, заполненная газом и блок питания.

Рис.4 Схема устройства газового лазера.

3 и 3 - диэлектрические зеркала (3 -сферическое, R=100%; 3 - плоско -параллельное, R=40%).

Элементы газоразрядной трубки:

1 - сечение торцевых пластинок, наклонённых к оси трубки под углом Брюстера;

2 - стенки трубки;

3 - электроды;

БП - блок питания.

Трубка (стеклянная или кварцевая) диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров подвергается сложной технологической обработке, затем откачивается и наполняется газом или смесью газов, являющихся активной средой данного газового лазера. Внутри трубки, как показано на рисунке, ставятся электроды для создания разряда в газовой среде.

Если для возбуждения лазера используется высокочастотный разряд, то применяются внешние электроды. Торцы газоразрядной трубки закрываются плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, составляющими с осью резонатора лазера угол Брюстера. Дело в том, что коэффициент отражения падающего луча от плоскопараллельной пластинки зависит от угла падения луча на пластинку. Под некоторым определенным углом (так называемым углом Брюстера) луч пройдет через пластинку не отражаясь, луч же с поляризацией, перпендикулярной к плоскости его падения на пластинку, при падении под любым углом (в том числе и под углом Брюстера) испытывает заметное отражение.

Установка торцевых пластинок к газоразрядной трубке газового лазера под углом Брюстера приводит к тому, что излучение, поляризация которого совпадает с плоскостью рис.4 проходит через торцевые пластинки практически без потерь.

В большинстве газовых лазеров накачка активной среды, осуществляется за счет различных процессов в плазме газового разряда, создаваемого в самой среде. Газовым разрядом называется совокупность процессов, связанных с прохождением электрического тока через газовую среду, расположенную между электродами. Это явление включает в себя целый ряд элементарных процессов взаимодействия между частицами среды.

Известно большое разнообразие видов разрядов в газе, однако в технике газовых лазеров используются лишь некоторые из них. В гелий-неоновом ОКГ используется стационарный тлеющий разряд, характеризующийся относительно небольшими плотностями тока (10^-510^-I А/см²).

Для плазмы тлеющего разряда степень ионизации мала (10^-4 -10^-2 %). Газ при тлеющем разряде разогревается слабо, термические процессы незначительны, яркость свечения газа невелика. Тлеющий разряд может быть либо разрядом постоянного тока, либо высокочастотным (частота 10-50 МГц).

В плазме газового разряда существуют нейтральные атомы и молекулы в возбужденном и невозбужденном состоянии, ионы (положительные и отрицательные в возбужденном и невозбужденном состоянии) и электроны. В целом плазма электрически нейтральна.

Все частицы плазмы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, а заряженные частицы дрейфуют также к соответствующему электроду. Различают упругие и неупругие соударения частиц в плазме. При неупругих соударениях суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц меняется за счет их внутренней энергии.

Создание возбужденных состояний в плазме газового разряда (инверсной) заселенностей рабочих уровней происходит только в результате неупругих соударений. Наибольший интерес здесь представляют 3 процесса.

1. Прямое электронное возбуждение. Быстрый электрон сталкивается с атомом (ионом), находящимся в основном состоянии, передает ему часть своей кинетической энергии, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние. Схема такого процесса запишется в виде:

где обозначено е- электрон, -быстрый электрон,А и А^*- атом в основном и в возбуждённом состоянии.

Очевидно, что только электрон с кинетической энергией, большей энергии возбуждения атомов, может возбудить атом. Т.о., прямое электронное возбуждение представляет собой пороговый процесс.

2. Ступенчатое электронное возбуждение:

+А* е+А**,

Эта схема соответствует случаю, когда электрон может столкнуться с возбуждённым атомом и перевести его на более высокий энергетический уровень.

3. Передача возбуждения.

Кроме рассмотренных выше неупругих соударений, в которых принимали участие электрон и тяжелая частица, с точки зрения создания возбужденных состояний не меньший интерес представляют соударения между тяжелыми частицами, происходящие в смеси газов.

Если имеются соударения атома одного газа в возбужденном состоянии с атомом другого газа в основном состоянии, то возможна передача энергии от одного атома к другому. При этом, первоначально находившийся в основном состоянии, переходит в возбужденное состояние, а атом находившийся в возбужденном состоянии безизлучательно переходит в основное состояние. Этот процесс записывается в виде:

В*+А В+А*,

и идёт тем эффективнее, чем более близки энергетический уровень, на котором находится возбуждённый атом (В*) и энергетический уровень, на котором в результате соударения переходит атом(А).

Особый интерес представляет случай, когда обмен энергией происходит между атомом, находящимся в метастабильном состоянии и невозбужденным атомом. В этом случае существует возможность передачи энергии возбуждения с сильно заселенного метастабильного уровня атомов одного газа атомом другого газа, что может привести к созданию инверсной заселенности их уровней. Именно такой метод получения инверсной заселенности использован в газовом лазере, активным веществом которого служит смесь гелия с неоном.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: