ответы. 1. Энергетические величины. Поток излучения Фе величина, равная отношению энергии w излучения ко времени t, за которое излучение произошло Единица потока излучения ватт (Вт. Энергетическая светимость (излучательность) R
 Скачать 4.74 Mb.
|
|
околоэлектродном пространстве. 47. Инверсно-заселенная среда как усилитель света. Методы создания инверсной заселенности Активная (инверсно заселенная) сред Активная ( инверсно заселенная) среда Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней, обеспечивающую усиление распространяющегося в ней излучения, принято называть активной средой. Инверсную заселенность уровней можно образовать в газовом разряде при помощи некоторых химических реакций, оптического возбуждения и т. д. О нескольких способах создания активной среды будет сказано ниже ). Рассмотрим, как будет излучать свет активная среда, помещенная между двумя зеркалами типа используемых в интерферометрах Фабри Перо (рис. 40.4). Такую систему принято называть активным оптическим резонатором. Пусть возбужденный атом, расположенный в точке А, испускает волну в результате спонтанного перехода между уровнями с инверсной заселенностью. В предыдущих параграфах, посвященных описанию принципа действия и конкретных схем лазеров, основное внимание концентрировалось на энергетической стороне дела, а именно, на методах образования достаточно большой инверсной заселенности и на усилении поля в активной среде. Существенную роль при этом играл резонатор, зеркала которого отражали падающий на них свет в активную среду и тем самым способствовали достижению порога генерации. Однако, помимо указанной функции, резонатор выполняет и другую — формирует пространственно когерентное и монохроматическое излучение. Для того чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо нарушить термодинамическое равновесие системы, заселив верхний уровень более плотно, чем нижний, те. сделав пг>п . Такое заселение называют инверсным, а систему или среду с инверсным заселением уровней называют активной. Более распространенной и свободной от указанных недостатков является четырехуровневая схема получения инверсной заселенности, изображенная на рис. 1.7,6. Усиление излучения средой с такой энергетической схемой уровней активных частиц возможно для перехода между уровнями 2 и 1. Возбуждение уровня 2 осуществляется также, как и на риса, путем безызлучательного перехода 3 2, а нижний рабочий уровень должен эффективно расселяться путем безызлучательных переходов 1- 0. Условия, при которых в такой системе может возникнуть стационарная инверсная заселенность, имеют вид Так как нижний рабочий уровень не является основным, то инверсия определяется относительной заселенностью уровней /, 2 ив отличие от трехуровневой системы для ее получения не требуется высокая абсолютная заселенность верхнего уровня. Это обстоятельство позволяет получать инверсную заселенность в среде при значительно меньших мощностях накачки. Примером активной частицы лазера с четырехуровневой системой возбуждения могут служить молекулы СО, СО в газовых лазерах, ионы неодима в твердотельных системах и др. Способы создания инверсной заселенности активных частиц зависят не только от конкретной схемы уровней и свойств этих частиц, но и от свойств других компонент активной среды, называемой рабочим телом лазера. В качестве рабочих тел современных технологических лазеров с успехом используются газовые смеси, а также различные конденсированные среды кристаллы, стекла, полупроводники и жидкости. Наибольшее распространение в лазерных системах получили оптический, газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки. Изученное в предыдущих разделах явление вынужденных переходов открывает принципиальную возможность когерентного усиления электромагнитной волны при прохождении ее через активную среду с инверсной заселенностью и создания, таким образом, квантовых усилителей света. Так как задача таких усилителей сводится практически к увеличению амплитуды электромагнитной волны, подаваемой на их вход, то квантовый усилитель аналогичен своим предшественникам — электронным усилителям. Необходимая для генерации обратная связь осуществляется в лазере за счет помещения рабочей среды в объемный резонатор, в котором возможно возбуждение согласованной со свойствами среды стоячей электромагнитной волны Схема лазера, состоящего из двух необходимых компонент — активной среды и резонатора, представлена на рис. 1.9. Обладающая инверсной заселенностью рабочая среда 1 обеспечивает возможность усиления колебаний за счет процессов вынужденного излучения. Резонатор, состоящий условно из одного плоского непрозрачного зеркала 2 и параллельного ему, частично пропускающего резонансное излучение плоского зеркала 3 с прозрачностью , обеспечивает раскачку колебаний с частотами в пределах ширины линии уси- Газовые лазеры являются наиболее представительным классом лазеров. Как следует из названия, рабочим телом газовых лазеров является газовая среда. В зависимости от конкретной схемы уровней и способов создания инверсной заселенности в активных частицах она может состоять из одной или нескольких атомарных или молекулярных компонент. Число ионов и нейтральных атомов и молекул, на которых получена генерация, уже превысило 100 и продолжает расти. Диапазон длин волн, в котором могут работать различные газовые лазеры, простирается от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного, по существу субмиллиметрового диапазона спектра. Разнообразие свойств активных веществ в газовых лазерах, отличающихся зарядом, составом, структурой уровней и т. д, естественно, приводит к большому числу возможных механизмов получения инверсной заселенности и требует различных способов возбуждения активной среды. Все это делает невозможным введение достаточно простой, нов тоже время всеобъемлющей системы классификации газовых лазеров. В таб. 4.1 дан упрощенный вариант классификации тех газовых лазеров, которые уже нашли применение в технологии или по достигнутому уровню своих параметров могут представлять для нее интерес. Место лазера в этой таблице определяется особенностью рабочих уровней и способом возбуждения активной среды В настоящее время наибольшее распространение нашли газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки. Активная среда твердотельного лазера содержит активные ионы примеси в твердотельной матрице. Именно в ионах примесей и создается инверсная заселенность. В качестве примесных ионов обычно используют ионы переходных металлов (марганец, хром, никель и кобальт) или редкоземельных элементов. Эти вещества имеют незаполненные внутренние оболочки при наличии электронов на внешней. Электроны на внешней оболочке частично экранируют электрическое поле соседних ионов кристаллической решетки, приводящее к сильному уширению испускаемых активным ионом спектральных линий, что, в свою очередь, приводит к росту коэффициента усиления и облегчает получение инверсной заселенности. Подготовка активной среды, состоящей из таких ионов, связана с решением серьезных технических проблем. Однако еще более сложные технические задачи предстоит решить для создания в этой среде инверсной заселенности, так как согласно оценкам, удельные значения энерговыделения должны достигать 3 кДж/см для X 10 нм и возрасти до >0,3 ГДж/см при X 1 нм. Активная среда газовых лазеров — это неравновесный газ или плазма с инверсной заселенностью. Газообразность активной среды определяет особенности газовых лазеров Прозрачность газовых сред в широком спектральном интервале от вакуумного УФ эксимерные лазеры) до СВЧ диапазона (молекулярные лазеры с когерентной оптической накачкой) позволяет газовым лазерам охватить чрезвычайно широкий диапазон длин волн, соот-ветствуюш,ий изменению частот более чем натри порядка. Работа лазера происходит при наличии инверсной заселенности уровней, для достижения которой в твердотельных оптических квантовых генераторах используется преимущественно так называемая оптическая накачка (те. воздействие световым излучением большой интенсивности. В оптических генераторах, в которых активной средой является газ, инверсная заселенность образуется в результате столкновений частиц в плазме газового разряда. Среда с инверсной заселенностью способна усиливать световое излучение, проходящее через нее. Однако нужно создать такие условия, при которых стимулированное усиление компенсирует потери в системе. Для этого активное вещество помещают в оптический резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами, расстояние между которыми больше длины волны света. Такой резонатор способствует усилению только той волны, которая распространяется вдоль оси резонатора. Волны, направление распространения которых составляет некоторый угол с осью резонатора, если значение этого угла превышает некоторую критическую величину, выходят из резонатора без усиления. Если одно из зеркал Отметим, что в литературе величина Г (6.12), имеющая размерность см" , называется стационарным коэффициентом усиления или просто коэффициентом усиления ФРК. Последнее, очевидно, связано стем, что, сточки зрения слабого сигнального пучка, при Г >0 образец ФРК, освещаемый мощным пучком накачки, является аналогом активной усиливающей среды с инверсной заселенностью уровней. Вместе с этим следует иметь ввиду, что подобные усилители на основе ФРК требуют достаточно узкополосной накачки Для эффективной их работы частотное рассогласование между сигнальными опорным пучками Ао) не должно превышать (Ts — характерное время записи голограммы приданных условиях. Многочисленные оптические явления в активных диэлектриках обусловлены естественной анизотропией свойств диэлектрика воздействием внешних полей самовоздействием световой волны появлением инверсной заселенности в лазерных средах особенностями жидкокристаллического состояния. Данная глава посвящена вопросам измерения параметров, характеризующих некоторые менее очевидные свойства лазерных резонаторов и активных сред, применяемых в квантовой электронике, от которых зависят рабочие характеристики лазеров. Здесь излагается ряд способов измерения усиления за один проход. Водном из параграфов главы даются дополнительные сведения о тех методах измерения усиления, о которых говорится в гл. 7, 3 и 4. Рассматриваются методы согласования мода в параграфе, посвященном измерениям времени жизни, указываются некоторые способы определения подобных характеристик в газах, жидкостях и твердых телах. Излагаются также методы измерения энергии электронов и плотности энергии в плазме газовых лазеров Рассматриваются способы измерения прозрачности зеркал в предельном случае большой отражательной способности, а также экспериментальные методы определения значений коэффициента отражения, при которых выходная мощность лазера максимальна. Дается также способ определения степени инверсной заселенности в лазерах с модулированной добротностью. В заключительной части рассматриваются потери в резонаторах и методы их определения. Глава начинается с обзора соответствующих параметров лазера. Лазер с резонатором, подобно его аналогу в электронике, может рассматриваться как усилитель генерируемого внутри шума, обладающий высоким коэффициентом усиления Для получения непрерывной генерации необходимо, чтобы усиление среды, возрастающее с ростом инверсной заселенности, было достаточным для компенсации потерь. Отрицательное ослабление, или усиление, на длине волны лазера обусловлено индуцированными переходами, или вынужденным излучением Спонтанное излучение, происходящее на той же частоте, конкурирует с вынужденным излучением в отношении энергии, заключенной в возбужденных состояниях активной среды лазера. Так как спонтанное излучение произвольным образом истощает запасенную энергию, то оно представляет собой серьезный источник потерь, несвязанный непосредственно с резонатором. Принципиальная схема лазера. Среда с инверсной заселенностью, способная усиливать проходящий через нее световой поток, называется активной. Заполним пространство между пластинами интерферометра Фабри — Перо активной средой (рис. 276). Между последовательными отражениями от зеркал при прохождении через активную среду световой поток усиливается. Эта система образует активный оптический резонатор Усиление потока при прохождении через активную среду происходит в соответствии с формулой (51.8). При отражении от зеркал излучение частично ослабляется. Одно из зеркал делается с максимально возможным коэффициентом отражения, а через другое зеркало свет в определенной пропорции выходит из системы, образуя ее излучение, которое называется лазерным. Кроме потерь света при отражении от зеркал имеются потери за счет рассеяния в среде и других дифракционных эффектов. Для работы системы в качестве генератора света необходимо обеспечить определенный баланс между усилением светового потока при прохождении через активную среду и ослаблением за счет всех факторов, включая само лазерное излучение. В активной среде создается инверсная заселенность. В этом случае заселенность некоторого возбужденного энергетического уровня атома оказывается большей, чем более низкого. В качестве рабочего перехода, на котором идет генерация излучения, часто используют метастабильный уровень. Можно искусственно получить термодинамически неравновесную среду, у которой выполняется соотношение, обратное (120.3) или (120.2). Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью по отношению к энергетическим уровнями й г- Следовательно, для усиления световой волны необходимо, чтобы среда, в которой волна распространяется, была активной. Идея использования индуцированного излучения для усиления волны была впервые высказана в 1939 г. в докторской диссертации В. А. Фабрикантом (р. 1907) и впоследствии (в 1951 г) на нее было выдано авторское свидетельство. В то время на идею Фабриканта не было обращено должного внимания. Казалось, что создание систем с инверсной заселенностью энергетических уровней — дело бесперспективное. Оценим энергию высвечивающегося гигантского импульса. Если в процессе его высвечивания плотность инверсной заселенности уменьшилась от величины N1 до величины Л , то это означает, что в единице объема активной среды родилось (Р) N1 — Л ) фотонов. Помножив это число на энергию фотона На, генерирующий объем активной среды V и отношение + т, описывающее долю генери- [c.344] Основные проблемы, которые необходимо решить для того, чтобы лазер стал реальным кандидатом на роль реакторного драйвера, состоят в повышении КПД и обеспечении частотного режима работы лазера. Решение обеих проблем лежит на пути совершенствования способа накачки активной среды лазера, а именно, при переходе от ламповой накачки к диодной накачке, когда инверсная заселенность рабочих уровней лазера создается за счет накачки излучением светодиодов. Использование светодиодов может обеспечить не только КПД лазера на уровне 10% (их собственный КПД достигает 50%) и необходимую частоту повторения импульсов, но и необходимый ресурс работы системы накачки. В настоящее время исследования в области диодной накачки активно ведутся в США, Японии и Франции. Экспериментально продемонстрирована успешная работа лазера с энергией 1СЮ Дж в режиме частоты повторения, равной 1 Гц, с КПД близким к 1 %. Физическая сторона решения проблемы понятна ив достаточной мере обоснована. Другая сторона проблемы состоит в том, что при современном уровне технологии светодиодные матрицы являются чрезвычайно дорогими [3, 4. При воздействии на усиливающую среду бесконечно большого сигнала, сбрасывающего инверсную населенность до нуля, с единицы объема активной среды будет снята часть запасенной энергии где Т = Г ДГ +Г ) — коэффициент использования запасенной энергии, учитывающий заселение нижнего лазерного уровня. Для создания активной среды необходимо селективное возбуждение ее атомов, обеспечивающее инверсную заселенность хотя бы одной пары их энергетических уровней. Возможны различные способы создания - инверсной заселенности. Поскольку в предшествующем изложении подробно обсуждались процессы излучения и поглощения света, начнем с описания оптического метода селективного возбуждения атомов среды ). Примером оптического квантового генератора, в котором используется оптический метод возбуждения, может служить рубиновый лазер. Отметим, что этот генератор был исторически первым квантовым генератором, излучающим в видимой области спектра (Мейман, 1960 г. Согласно (35.14) при оптических переходах между двумя уровнями энергии усиление существует (кУ< >0) в том случае, если населенность верхнего уровня 2 пре-выщает населенность нижнего уровня П, те. осуществляется так называемое инверсное распределение частиц по уровням энергии (м 1). Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней принято называть активной. Газовые лазеры охватывают диапазон от ультрафиолетовой до субмил-лимстровой области спектра. Активная среда в них — газ при пониженном давлении, помещенный в газоразрядную трубку, в которой возбуждается разряд. Возникающие при разряде свободные электроны, сталкиваясь с частицами газа, возбуждают их и переводят на верхние рабочие уровни, создавая (при соответствующих условиях) инверсную заселенность этих уровней. [c.341] Этот процесс возможен только в случае, когда энергия возбуждения атома Не превосходит энергию ионизации и последующего иона М. При газодинамическом возбуждении активной среды инверсная заселенность возникает за счет различия времен релаксации уровней в протекающем через сверхзвуковое сопло нагретом газе. В результате генерации тепловая энергия преобразуется в энергию когерентного излучения. Хотя КПД (1 %) и энергосъем (25 Дж/г) для газодинамических лазеров относительно невелики, их энергетическая перспективность определяется возможностью обеспечения значительного расхода газа и удобством непосредственного использования продуктов сгорания различных топлив. Газодинамические лазеры являются самыми мощными лазерами (200 кВт, работающими на колебательно-вращательных переходах молекул СО, NgO, СО, СОВ последние годы все более широкое развитие получают комбинированные способы создания неравновесной среды в газодинамических лазерах Можно выделить три направления газодинамическое с селективным возбуждением, электро-газодинамическое. При химическом возбуждении инверсия населенностей создается в результате экзотермических химических реакций, в которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения, без необходимости использования электрической энергии. Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен обычно используются лазерные источники. При электроннолучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии. Основное преимущество электронного пучка связано сего высокой проникающей способностью, что позволяет вводить значительную энергию в активную среду с большим давлением. Электронный пучок в газовых лазерах может выполнять различные функции. Чаще всего его используют для создания объемнооднородных газовых разрядов Однако пучок электронов можно использовать и непосредственно для создания инверсной заселенности в газовых системах. Поскольку основная часть энергии, теряемой быстрыми электронами в газе, расходуется на ионизацию атомных частиц, то наиболее эффективные механизмы преобразования энергии пучка в энергию возбу- |