dispozitiv cu laser

Laser constă în mod necesar din trei componente principale:

1) mediul activ, în care starea creată cu inversiunea populației;

2) sistemynakachki - un dispozitiv pentru generarea unei inversiune în mediul activ;

3) rezonatorului optic - dispozitivul care formează direcția fasciculului de fotoni.

De asemenea, rezonatorul optic pentru radiația laser de amplificare multiple.

În prezent, în calitate de activ (de operare) mediul laser utilizat de agregare diverse stări ale materiei: solide, lichide, gazoase, plasma.

Pentru a crea mediul laser, populația inversă folosind diferite tehnici de pompare. pompare cu laser poate fi realizată atât în ​​mod continuu și puls. Cu termen lung de putere în modul de pompare (continuu), introdus în mediul activ este limitată de supraîncălzire a mediului activ și a fenomenelor conexe. In modul single-puls, introducerea în mediul activ este semnificativ mai mare de energie decât pentru același timp, într-un mod continuu. Acest lucru face ca mare putere singur impuls.

În lasere cu semiconductori din cauza de pompare este radiația de descărcare de gaz lămpi flash puternice, radiații solare concentrat (asa-numita pompare optică) și alte radiații laser. Atunci când această operație este posibilă numai în modul de impulsuri, deoarece necesită foarte mare densitate de energie a pompei, provocând o expunere prelungită la o încălzire puternică și distrugerea tijei substanței de lucru. Gazul și lasere lichid folosind pompare descărcare electrică.

Aceste lasere funcționează în modul continuu. Laserele chimice de pompare are loc prin mediu percolare în reacțiile chimice ale acestora activi. În această inversare a populației are loc fie direct din produșii de reacție, fie la impuritățile introduse este special nivelurile de energie structură corespunzătoare. De pompare lasere cu semiconductori se produce sub acțiunea unui curent puternic prin p-n joncțiune, precum și cu fascicul de electroni. Există și alte metode de pompare (gasdynamic constând în stingerea din gazele preîncălzite; photodissociation, caz particular al pompei chimice etc.).

Rezonatorul optic este un sistem de două oglinzi 1 și 2 (Fig. 24.5). In cel mai simplu caz, cu care se confruntă reciproc oglinda paralele (sau concave) pe o axă optică comună, între care este plasat mediul activ (sau celula de cristal cu gaz). Acei fotoni care se deplaseaza la un anumit unghi față de axa de cristal a mediului activ sunt situate pe suprafața laterală.

Deplasarea de-a lungul axei optice a fotonilor după reflecții multiple de oglinzi și amplificarea fluxului fotonic în mediul activ sunt localizate prin semioglindă 2. Rezultatul este un fascicul luminos puternic direcțională de fotoni coerente - radiație laser. Rețineți că amplificarea radiației într-o singură trecere între oglinzi trebuie să depășească o valoare de prag. și anume Pierderea de energie datorită radiației emergente prin oglinda 2 într-o singură trecere. Cu cât este mai de transmisie a oglinzii, cu atât mai mare trebuie să fie câștigul de prag al mediului activ.

Rezultă din (24,23), pentru amplificarea luminii eficientă este necesară pentru a mări calea luminii în mediul activ.

Pentru îmbunătățirea undelor electromagnetice care ies din rezonatorul ar trebui să fie în aceeași fază, astfel încât interferența acestora cu amplitudinea rezultată devine maximă. Această condiție este în mod clar îndeplinită în cazul în care orice val, revenind la punctul de plecare de pe suprafața oglinzii de ieșire, precum și oriunde în mediul activ, va fi în aceeași fază ca valul primar, indiferent de numărul de reflexii experimentate de ea.

În acest scop, lungimea drumului optic traversat de unda dintre cele două revine, trebuie să îndeplinească condiția:

unde m = 1, 2, 3. Într-adevăr, deoarece calea optică diferența d și diferența de fază sunt legate. condiția (24.27) poate fi rescrisă ca:

,

E., fiecare dintre valuri întârziate în ceea ce privește anterior în această fază este egală cu 2tt, cu alte cuvinte, toate valurile care provin de la generator sunt în aceeași fază, ceea ce duce la o interferență reciprocă a amplitudinii maxime a undei de ieșire. Cu toate acestea, rolul rezonatorului nu este numai pentru a crește lungimea traseului luminii în mediul activ. Acesta prevede, de asemenea, o foarte paralelă și foarte aproape de radiație monocromatică.

Laser Oglinzile nu asigură doar existența unui feedback pozitiv, dar, de asemenea, funcționează ca un rezonator, consolidarea unor moduri generate cu laser (9.28), care corespunde în picioare valuri de rezonator, și suprimarea altora. Faptul că nivelurile de energie din diverse motive (Doppler Lărgirea, electrice externe și câmpuri magnetice, efecte mecanice cuantice, etc.) va avea întotdeauna o anumită lățime. Prin urmare, pot exista situații în care lățimea liniei spectrale se potrivesc mai multe frecvențe ale rezonator. În acest caz, lumina laser este multimodală.

Principiul funcționării laserului.

Primul laser în stare solidă a fost un laser cu rubin dezvoltat în SUA (1960) T. Maiman.

Rubinul utilizat mediu activ (oxid de aluminiu (A12O3), în care unele noduri din zăbrele de aluminiu substituite de trei ori atom ionizat de crom (Cr +++). În mod tipic, concentrația ionilor de crom în A12O3. Este (0.03-0.5)%. rubin cristal are o culoare roz. în funcție de concentrația de crom ionilor de culoare rubiniu variază de la roz deschis (la 0,03% din ionii de crom) la roz închis (la 0,5% din ionii de crom).

Fabricate din astfel de cilindru rubin 3 (Fig 24,5) Diametrul

(0,4 - 2) cm acid (3 - 20). A se vedea situate între oglinzi 1 și 2 ale rezonatorului. Crystal trebuie să fie extrem optic omogen, pentru a preveni împrăștierea radiației. Ca sursă de lumină de excitație este o pompă 4 având forma unei spirale în jurul cilindrului de înfășurare 3.

flux fotonic în mod repetat, amplificat trece printr-o oglindă semitransparentă, creând un puternic direcțional fascicul de lumină luminozitate enormă. Astfel, rezonatorul optic generează o direcție (de-a lungul unei axe) amplificată flux fotonic, adică laser, cu proprietăți ridicate de coerență. Un laser rubin funcționează într-un mod pulsatoriu, la o lungime de undă de 694,3 nm (lumina de cireșe întuneric) puterea de emisie se poate ajunge la pulsul (10 6 -10 9) wați.

Un laser de comun este un amestec cu laser cu gaz de heliu și neon. Presiunea totală în amestec este de aproximativ 10 Pa 2 cu un raport de el și component Ne aproximativ 10. 1. Gazul activ, pentru care există la o lungime de undă razei laser de 632,8 nm (roșu strălucitor) într-un mod continuu este neon. Heliul este implicat în mecanismul de inversare a populației a unuia dintre nivelurile superioare de neon. Radiații laser He-Ne are o monochromaticity ridicată.

Calculele arată că lățimea liniei spectrale laser He-Ne este de aproximativ δν ≈ 5 · 10 -4 Hz.

timpul de coerență a unei astfel de radiație la ordinul τ ≈ 1/2 ≈ Av × 10 3 secunde. o cτ lungime coerență ≈ 6 x 10 11 m. In fig. 24,8 este un sistem de nivel simplificat de heliu și neon și un mecanism pentru a crea inversiunea populației a tranziției cu laser.

Pomparea de tranziție cu laser E4 → E3 în neon după cum urmează. Înaltă tensiune descărcarea electrică datorită coliziunilor cu electroni parte substanțială din atomii de heliu se mută la starea metastabilă superioară E2. atomi de heliu excitați se ciocnesc cu atomii de neon neelastic în starea de sol, și le transmit energia lor. Nivelul E4 neon situat la 0.05 eV deasupra nivelului de heliu metastabil E2. Lipsa de energie compensată de energia cinetică a atomilor care se ciocnesc. Pe inversiunea populației de neon nivel E4 are loc în raport cu nivelul E3. săgețile drepte reprezentate tranziții spontane la atomii de neon.