Послідовність виконання роботи. 1. Ознайомитись з будовою та принципом дії резонаторів газових ЛГ-78 та ЛГН-207Б, твердотільних ЛТ-16 та Квант-17
1. Ознайомитись з будовою та принципом дії резонаторів газових ЛГ-78 та ЛГН-207Б, твердотільних ЛТ-16 та Квант-17, а також напівпровідникового LSM-464 лазерів.
2. За допомогою інструкції з експлуатації визначити основні технічні дані (енергетичні і спектральні) технологічних лазерів ЛГ-78, ЛГН-207Б, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464.
3. За допомогою вимірювального інструменту виміряти відстань між дзеркалами резонаторів, діаметр дзеркал резонаторів, діаметр лазерного променя всередині резонатора та розрахувати основні характеристики резонаторів.
4. Навести типи конструкцій резонаторів лазерів ЛГ-78, ЛГН-207Б, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464 у протокол.
5. Зробити висновки по роботі.
Загальні відомості
Багато оптичних явищ, наприклад, дифракцію, інтерференцію можна пояснити виходячи лише із хвильової природи світла. У цьому випадку світло розглядають як один з видів електромагнітних коливань, що характеризуються амплітудою електричних і магнітних коливань, а також частотою n або довжиною хвилі l, зв'язаних між собою співвідношенням:
. (2.1)
У наближенні геометричної оптики, світло зручно описувати у вигляді прямолінійного, що поширюється в однорідному середовищі потоку, світлових квантів, енергія яких визначається частотою випромінювання й становить:
e=h.n, (2.2)
де h=6.62. 10-34Дж. з - постійна Планка.
У квантових системах, тобто в системах з дискретними можливими станами крім спонтанних і безвипромінювальних переходів можуть відбуватися й так називані змушені переходи, індуковані електромагнітним полем.
На рис. 1.1 схематично показані всі можливі види переходів між двома виділеними енергетичними станами 1 й 2, що характеризуються енергіями й E відповідно.
а) б) в) г) д)
Рис. 2.1. Випромінювальні (б,в) та безвипромінювальні (а,г,д) переходи в квантовій системі.
Розглянемо квантову систему, що знаходиться в стані з енергією Е1 й взаємодіючу з електромагнітною хвилею із частотою n. Поглинувши квант електромагнітного випромінювання, система може перейти в стан з енергією hn. Цей процес показаний на рис. 2.1, а і називається поглинанням. Швидкість поглинання в одиниці об'єму можна визначити як:
, (2.3)
де – N1 - число атомів (або молекул) в одиниці об'єму, з енергією E1, B12- коефіцієнт називаний коефіцієнтом Ейнштейна для поглинання.
Ця величина визначається як:
, (2.4)
де I - потік фотонів, тобто число фотонів, що доводиться в одиницю часу на одиницю площі, s12- характеристичний параметр, що має розмірність площі й називається перетином поглинання.
Спонтанний перехід системи зі стану 2 у стан 1 супроводжується втратою енергії E2-E1. Якщо ця енергія надходить у простір у вигляді електромагнітного випромінювання, то процес називають спонтанним випромінюванням (рис 2.1,б). Частоту випромінювання, знаходять із виразу:
. (2.5)
Швидкість спонтанного випущення в одиниці об'єму дорівнює:
, (2.6)
де A21- коефіцієнт Ейнштейна для спонтанного випромінювання; N2 - число атомів в одиниці об'єму з енергією E2.
Величина зворотна А21 називається часом життя спонтанного випущення (радіаційний час життя) і є характеристикою збудженого рівня:
, (2.7)
При спонтанному випромінюванні поява кванта, може з рівною ймовірністю відбутися в будь-який момент часу й, тому, електромагнітні хвилі, що відповідають цим квантам, не зв'язані між собою по фазі й мають довільну поляризацію.
У відмінності від спонтанних переходів, здатних відбуватися в ізольованій частці, безвипромінювальні переходи можливі лише при наявності взаємодії частки А с іншою часткою або системою часток У. У результаті такої взаємодії частки переходять зі стану 1 у стан 2 або навпаки. Процес безвипромінювальної передачі енергії від частки В к частці А може супроводжуватися переходом останньої зі стану 1 в 2 (рис 2.1,г), тобто вимагає витрат енергії. Зворотний перехід (рис 2.1,д), навпаки, супроводжується втратою частки енергії. Швидкість цих переходів в одиниці об'єму виражається так:
, (2.8)
де tном - час життя безвипромінювальної релаксації.
Цей параметр залежить від типу переходу й природи навколишніх часток.
На рис.1.1, в показаний процес взаємодії електромагнітного випромінювання із частотою n0- зі збудженою часткою. У результаті цієї взаємодії частка переходить у стан з енергією Е1, а цього змушеного переходу, що з'являється в результаті, електромагнітне випромінювання, має ту ж частоту й фазу, що й падаюча хвиля. Цей процес називають змушеним випромінюванням. Швидкість змушеного випромінювання в одиниці об'єму можна знайти по формулі:
, (2.9)
де B21 - коефіцієнт Ейнштейна для змушеного випромінювання.
Він залежить від природи квантової системи й щільності падаючого випромінювання:
, (2.10)
де I - потік фотонів, s21- перетин змушеного випромінювання.
Ейнштейном було показано, що для будь-якого переходу коефіцієнти s12 й s21 рівні між собою.
Процес змушеного випромінювання квантів електромагнітного випромінювання покладений в основу квантової електроніки.
Можливість народження резонансних квантів у процесах змушеного випромінювання означає принципову можливість когерентного посилення електромагнітної хвилі за рахунок викликаних цією хвилею індукованих переходів.
Інверсія заселеностей – такий стан системи, коли більша частина електронів атомів, або молекул знаходиться на верхніх енергетичних рівнях, з яких починається спонтанний перехід, а менша частина на нижніх рівнях, де перехід закінчується.
Для отримання на практиці інверсії заселеностей і реалізації лазерного ефекту необхідно вимушено змінити енергетичний стан системи, для чого застосовують різні методи збудження (накачки).
За цими ознаками розрізняють:
- оптичну накачку;
- хімічну накачку;
- газорозрядну;
- електронну накачку;
- накачку рентгенівським випромінюванням;
- накачку плазмовим шнуром та інші.
Одержати інверсію заселеностей в системі, яка складає тільки два рівня за допомогою оптичної накачки неможливо. В зв‘язку з цим використовують систему генератора з трьома і чотирма енергетичними рівнями, рис.2.2.
Рис.2.2. Схеми багаторівневих систем лазерних генераторів: а – трьохрівнева система генератора з інверсією заселеностей (рівень 2); б – чотирьохрівнева система генератора з інверсією заселеностей (рівень 3)
Недоліком трьохрівневої системи являється те, що стан 1 є самим нижнім в системі, а це потребує при переводі в інверсію заселеностей додаткової інтенсивності накачки.
В чотирьохрівневій системі кінцевий рівень флюоресценції розташований вище самого нижнього рівня 1. Рівень 2 залишається при цьому не заповненим. При цьому для створення умов інверсії заселеностей достатньо одержати лише найбільшу кількість атомів на рівні 3.
Для ефективного протікання процесів вимушеного випромінювання часток робочого тіла використовують різні типи резонаторів (рис.2.3).
Резонатор дозволяє сформувати стоячу електромагнітну хвилю та отримати високу інтенсивність випромінювання. Резонатори збільшують час життя кванта, збільшують вірогідність змушених переходів, визначають спектральні характеристики випромінювання. Резонатори характеризуються стабільністю і спроможністю заповнювати світлом активне середовище. В стабільному резонаторі випромінювання не губиться із резонатора, а в нестабільному випромінювання може вийти з активного середовища через декілька циклів відбиття.
Рис. 2.3. Типи резонаторів
В якості підкладок дзеркал резонаторів використовують відполіровані пластини з плавленого оптичного кварцу, або оптичного скла. Дзеркала резонаторів покривають стійкими (чверть-хвильовими) шарами металевих, або діелектричних матеріалів.
Ефективність резонатора характеризується добротністю та величиною втрат всередині резонатора.
Добротність резонатора визначається як відношення електромагнітної енергії запасеної в резонаторі Ерез до середньої енергії втраченої за 1/2 p періоду коливання:
, (2.11)
де Рср – середня потужність, втрачена в резонаторі, L – відстань між дзеркалами резонатора, bS- сумарні втрати в резонаторі.
Відстань між резонансними частотами:
. (2.12)
Ширина спектральної резонансної кривої:
. (2.13)
Загальні втрати в резонаторі визначаються із:
, (2.14)
де bДИС – дисипативні втрати, пов’язані із розсіюванням випромінювання на неоднорідностях активного середовища, bДИФ – дифракційні втрати на торцях активного середовища, bДЗ – втрати в дзеркалах резонатора.
; (2.15)
; (2.16)
, (2.17)
де а – діаметр дзеркал, r1, r2 – коефіцієнти відбиття дзеркал.
Зміст протоколу
1. Найменування роботи.
2. Мета роботи.
3. Лабораторне обладнання.
4. Короткий опис призначення і принципу дії резонаторів лазерів ЛГ-78, ЛГН-105, ЛТ-16, Квант-17, LSM-464.
5. Замалювати конструкції резонаторів лазерів із вказівкою розмірів і конструкційних матеріалів, привести розраховані характеристики.
6. Висновки по роботі.
Контрольні запитання
1. Що таке лазер? Простий устрій лазера. Принцип дії лазера.
2. Які існують види переходів з одного енергетичного рівня на інший.
3. Основні характеристики лазерного випромінювання.
4. Які існують багаторівневі системи.
5. Переваги та недоліки трьох та чотирьохрівневих систем.
6. Що таке резонатор? Типи резонаторів. З яких матеріалів і як виготовляються резонатори для сучасних лазерів?
7. Які переваги та недоліки різних типів резонаторів?
8. Умови резонансу. Як юстирувати (налагоджувати) лазерний резонатор?
9. Яку довжину хвилі випромінюють найбільш поширені твердотільні та газові лазери лазери?
10. Чим відрізняється одномодовий лазер від багатомодового? Де використовуються переважно ці лазери?
11. Приведіть конструкції нестійких резонаторів.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3