Изучение работы оптического

КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА (ЛАЗЕРА)

Цель работы. Ознакомление с устройством и работой лазера, исследование его характеристик.

Введение

Принцип работы оптического квантового генератора как источника когерентного света связан с особым возбужденным состоянием излучающей среды.

Частицы среды (атомы, молекулы, ионы) могут находиться в различных состояниях, которым соответствуют определенные значения энергии. Состояние с наименьшей энергией называют основным состоянием, остальные состояния носят название возбужденных состояний.

Сообщая системе частиц энергию, можно перевести частицы из основного состояния, в котором преимущественно они находятся при нормальных условиях, в возбужденное. Однако, время пребывания частиц в данном возбужденном состоянии (время жизни состояния) ограничено. Переходя в более низкое энергетическое состояние, частицы отдают энергию. В частности, эта энергия может отдаваться в виде квантов света (фотонов). Такой процесс излучения называется спонтанным (самопроизвольным) и он происходит в обычных некогерентных источниках света.

Источником когерентного излучения называется источник, испускающий электромагнитную волну, в которой имеется согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность) или между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени (временная когерентность). Две волны называются когерентными, если их частоты совпадают, и волны имеют постоянную разность фаз во времени.

В обычных источниках света частицы излучают спонтанно, независимо друг от друга. Испускаемые частицами волновые цуги, представляющие собой непрерывную последовательность максимумов и минимумов колебаний, не согласованы друг с другом во времени и имеют длительность порядка t» 10^-8 с. Если рассматривать волны от разных точек такого источника, то они окажутся некогерентными.

Однако, частицы, находящиеся в возбужденных состояниях, могут под действием электромагнитной волны, имеющей частоту, равную частоте спонтанного излучения этих частиц, испускать вторичные волны, частота, поляризация, направление распространения и фаза которых полностью совпадают с характеристиками внешней волны. При этом происходит усиление первичной волны и обеспечивается связь между собой всех волновых цугов, испускаемых частицами: результирующая волна оказывается когерентной во времени и в пространстве. Возникающее излучение называется вынужденным, оно генерируется лазерами. В настоящий момент удалось создать источники вынужденного излучения на основе многих веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Таким образом, при прохождении электромагнитной волны через систему частиц, находящихся в возбужденном состоянии, возможно получение вынужденного излучения. Однако, в то же самое время возможен процесс поглощения данной электромагнитной волны частицами, находящимися в основном состоянии. И будет ли система частиц преимущественно испускать свет или поглощать зависит от того, сколько частиц находится в возбужденном и невозбужденном состояниях. Число частиц в единице объема среды, пребывающих в состояниях, которым соответствует определенный энергетический уровень, называется населенностью этого уровня. Для возникновения вынужденного излучения необходимо, чтобы населенность любого возбужденного уровня была больше, чем населенность нижележащего уровня. Подобная система называется системой с инверсией населенности.

Фотон с энергией, равной разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней (это может быть и спонтанно испущенный системой фотон), способен вызвать вынужденное излучение какой-либо из возбужденных частиц среды. Возникшее вынужденное излучение управляет дальнейшим процессом испускания света другими возбужденными частицами. Для обеспечения непрерывности процесса необходимо, чтобы часть энергии вынужденного излучения оставалась внутри системы. Это осуществляется с помощью резонатора.

Резонатор представляет собой два зеркала, одно из которых (иногда оба) полупрозрачно. Между зеркалами помещается излучающее вещество. Часть излучения выводится вовне через полупрозрачное зеркало, а часть возвращается обратно и, проходя через вещество, управляет дальнейшим процессом излучения, одновременно усиливаясь. Однако для получения незатухающего излучения необходимо, чтобы усиление за один проход всего резонатора было бы больше, чем потери за счет рассеяния и вывода вовне части излучения через полупрозрачное зеркало. Из этого условия следует, что усиление будет происходить главным образом для пучков, проходящих через всю возбужденную среду, т.е. для пучков, распространяющихся вдоль оси резонатора. Иначе говоря, излучение лазера будет строго направленным.

На рис. 1 представлена схема лазера, в котором излучающим телом является газ в стеклянной трубке-капилляре (газоразрядная трубка) 3 с впаянными электродами 4. Резонатор составлен отражающим 1 и полупрозрачным 5 зеркалами. Выходные окошки 2 трубки расположены под некоторым углом к оси трубки.

Итак, излучение лазера является монохроматическим, направленным, поляризованным и когерентным. Однако надо заметить, что строгой когерентности и монохроматичности достичь не удается. Например, лучшей временной когерентностью (с наибольшей длительностью t цугов волн) обладают газовые лазеры: t» 10^-2 с. Не удается получить и строгой направленности пучка, прежде всего – из-за дифракции на выходном отверстии лазера (равном диаметру выходящего пучка). Кроме того, направленность ухудшается из-за образования сложных типов волн в резонаторе, называемых модами колебаний. Различные моды колебаний имеют разную угловую расходимость.

В заключение надо отметить, что благодаря своим уникальным характеристикам (когерентность, направленность и монохроматичность излучения, возможность получения мощных пучков) лазеры находят широкое применение как в научных исследованиях, так и в таких областях как металлургия, медицина, связь, кибернетика, космонавтика, военная техника и др.