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.
|
|
[c.42] Гелин-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется 1 счет пе-РСХ0Д011 между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности. Для получения активных атомов, те. атомов в состоянии инверсной заселенности, пользуются раз-НЫЛ1И методами. Если активная среда — твердое тело, применяется метод оптической накачки. Рабочее вещество обычно нредставляет собой кристалл-основание с примесью люминесцирующих атомов, имеющих по крайней мере 3 или 4 уровня (т. н. трех- и четырехуровиевые системы, рис. 1). Сущность оптич. В пассивном резонаторе наименьшими потерями характеризуются, как правило, низшие поперечные моды и прежде всего основная мода ТЕМ о. Именно эти моды будут в первую очередь возбуждаться при наличии усиления. Интенсивность поля в них будет юзрастать и может достичь насыщения. Это означает, что коэффициент усиления в той области активной среды, которая эффективно охватывается низшими модами (те. вблизи оси резонатора, становится минимальным >. В результате плотность инверсной заселенности вблизи оси резонатора может оказаться Режим генерации гигантских импульсов при активной модуляции добротности резонатора Идея использования модуляции добротности резонатора лазера с импульсной накачкой для получения мощных и коротких световых импульсов была реализована в 1962 г. [22, 23]. Управляя добротностью резонатора, сначала обеспечивают высокий уровень вредных потерь, те. специально поднимают порог генерации. Это позволяет создать значительную инверсную заселенность в активной среде. Затем по сигналу извне уровень потерь, а следовательно, и порог генерации быстро понижаются до минимально возможного значения в результате начальная величина инверсной заселенности оказывается существенно вьше нового порога, отвечающего малым потерям. В этих условиях вместо последовательности пичков, высвечивается единичный короткий световой импульс большой мощности (так называемый гигантский импульс. На рис. 3.4 показан процесс развития гигантского импульса при пассивной модуляции добротности резонатора лазера с импульсной накачкой. Модуляция добротности осуществляется за счет применения просветляющегося фильтра. Кривая Р f) на рисунке описывает изменение во времени мощности генерируемого излучения там же показано изменение во времени коэффициента резонансного поглощения фильтра на частоте генерации (кривая (0) и плотности инверсной заселенности уровней активной среды (кривая N (f)). Исходное состояние соответствует непросветленному фильтру (х = XoJ в этом состоянии пороговое значение плотности инверсной заселенности достаточно велико (обозначим через Л пор По мере поступления в активный элемент излучения накачки величина N будет расти. Как только она достигнет значения N ov max. начнется процесс генерации ). Этот момент времени выбран на рисунке в качестве начального момента t = 0). Как и при активной модуляции добротности, процесс формирования гигантского импульса состоит из двух этапов длительного этапа ждленного линейного) развития (длительность этапа io) и короткого этапа быстрого (нелинейного) развития (длительность этапа При пассивной модуляции добротности этап линейного развития примерно на порядок длительнее, чем при активной модуляции он составляет теперь примерно 1 мкс. Это объясняется тем. Усредненные балансные уравнения (скоростные уравнения. При работе с балансными уравнениями используют еще одно упрощение. Это упрощение связано с выполнением усреднения плотности инверсной заселенности и плотности светового потока по длине активной среды (точнее по длине резонатора. П едварительно представим Общие замечания о методе балансных уравнений Балансные уравнения типа уравнений Статца—Де Марса иногда называют точечными уравнениями. Пренебрегая пространственными переменными, эти уравнения описывают, по сути дела, точечную модель лазера, те. такую модель, в которой все пространство, занятое активной средой, как бы сведено в одну точку. Изменения в пространстве здесь не принимаются во внимание, учитываются лишь изменения во времени. Указанное обстоятельство заметно ограничивает возможности данного метода. Так, например, балансные уравнения не годятся для рассмотрения пространственно неоднородных активных сред они не позволяют учесть пространственную неоднородность инверсной заселенности и ряд других пространственных эффектов. Наряду с колебательно возбуждёнными молекулами в результате протекания экзотермич. реакций могут образовываться электронно возбуждённые молекулы, излучательный распад к-рых также может составить основу работы хим. лазера. Из большохо числа обсуждавшихся в литературе конкретных хим. механизмов создания электронно возбуждённых атомов или молекул б качестве активной среды X. л, практическую реализацию нашёл механизм создания инверсной заселённости на переходе между состоянЬями тонкой структуры атома иода I P112) и Ц Рз/з) с длиной волны 1,315 мкм. Заселение верх, состояния лазерного перехода осуществляется в результате передачи возбуждения от молекулы синглетного кислорода Время релаксации инверсной населенности рабочих уровней активной среды Ти Время релаксации Ti определяется двумя процессами спонтанным переходом рабочих ионов с верхнего уровня на нижний, вынужденным переходом рабочих ионов с нижнего уровня на верхний под действием накачки. Для граната с неодимом вследствие слабой заселенности нижнего рабочего уровняг спонтанный распад верхнего рабочего уровня превалирует. Поэтому время релаксации инверсной населенности оказывается примерно равным времени спонтанного распада верхнего рабочего уровня Ti ==2,5-10 с [9, 18. [c.50] 48. Основные типы оптических квантовых генераторов и их характеристики Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения — оптических квантовых генераторах илилазерах (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения. Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне. Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах, принадлежит российским ученым Н. Г. Басову (р. 1922) и А. М. Прохорову (р. 1916) и американскому физику Ч. Таунсу (р. 1915), удостоенным Нобелевской премии 1964 г. Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды. Более точная классификация учитывает также и методы накачки — оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации — непрерывный или импульсный. Лазер обязательно имеет три основных компонента 1) активную среду в которой создаются состояния с инверсией населенностей 2) систему накачки(устройство для создания инверсии в активной среде 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок. Первым твердотельным лазером (1960; США, работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм, был рубиновый лазер (Т. Мейман (р. 1927)). В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовыми А. М. Прохоровым. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия АО, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов А замещены трехвалентными ионами Cr 3+ (0,03 и 0,05% ионов хрома соответственно для розового и красного рубина. Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3 (рис. 310). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало меньше сто осуществляются либо спонтанные переходы 3 1 они незначительны, либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2 1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка ст. е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к накоплению атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, те. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2. Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2 1 , в результате чего появляется лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами. Для выделения направления лазерной генерации используется принципиально важный элемент лазера — оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом. Как правило, зеркала изготовляются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе — полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами коси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор выясняет направление вдоль оси) усаливаемого фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. Первым газовым лазером непрерывного действия (1961) был лазер на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения, лампы же излучают свет в широком интервале длин волн следовательно, применять их в качестве накачки невыгодно, так какиспользуется только часть мощности лампы. Поэтому в газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах. В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа гелий служит носителем энергии возбуждения, а неон дает лазерное излучение. Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбужденное состояние 3 (рис. 311). При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с =0, 6328 мкм. Лазерное излучение обладает следующими свойствами 1. Временная и пространственная когерентность (см. § 171). Время когерентности составляет с, что соответствует длине когерентности порядкам (l ког = с ког ), те. на семь порядков выше, чем для обычных источников света. 2. Строгая монохроматичность м. 3. Большая плотность потока энергии Если, например, рубиновый стержень при накачке получил энергию W=20 Дж и высветился за сто поток излучения Ф е =20/10 –3 Дж/с=2 10 Вт. Фокусируя это излучение на площади 1 мм, получим плотность потока энергии Фе = 2 10 4 /10 – 6 Вт/м 2 = 2 10 10 Вт/м 2 4. Очень малое угловое расхождение в пучке Например, при использовании специальной фокусировки луч лазера, направленный с Земли, дал бы на поверхности Луны световое пятно диаметром примерно 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром примерно 40 000 км. Кпд. лазеров колеблется в широких пределах — от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% для лазера на стекле с неодимом, хотя у большинства лазеров кпд. составляет 0,1—1%. Создан мощный СО- лазер непрерывного действия, генерирующий инфракрасное излучение ( =10,6 мкм, кпд. которого (30%) превосходит кпд. существующих лазеров, работающих при комнатной температуре. Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение. Применение лазеров для обработки, резания и микросварки твердых материалов оказывается экономически более выгодным (например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе лазерным лучом сократило время сч домин. Лазеры применяются для скоростного и точного обнаружения дефектов в изделиях, для тончайших операций (например, луч СО- лазера в качестве бескровного хирургического ножа, для исследования механизма химических реакций и влияния на их ход, для получения сверхчистых веществ. Широко применяется лазерное разделение изотопов, например такого важного в энергетическом отношении элемента, как уран. Одним из важных применений лазеров является получение и исследование высокотемпературной плазмы. Эта область их применения связана с развитием нового направления — лазерного управляемого термоядерного синтеза. Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Например, рассмотренный выше гелий-неоновый лазер из-за излучения высокой стабильности, направленности и монохроматичности (полоса частот 1 Гц при частоте 10 Гц) незаменим при юстировочных и нивелировочных работах. Интересное применение лазеры нашли в топографии. Для создания систем голографической памяти с высокой степенью считывания и большой емкостью необходимы газовые лазеры видимого диапазона еще более высокой монохроматичности и направленности излучения. Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, так как они обладают широким рабочим диапазоном (0,7—30 мкм) и возможностью плавной перестройки частоты их излучения. 49. Основы полуклассической теории взаимодействия лазерного излучения с веществом Фундаментом квантовой и оптической электроники является теория взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Под веществом здесь могут пониматься как сильно разреженные среды, те. газы, таки среды конденсированные – твердые тела и жидкости. В первом случае, когда межатомное взаимодействие является настолько слабым, что им можно пренебречь, мы имеем фактически задачу о взаимодействии излучения с отдельными атомами или молекулами. В случае конденсированных сред речь идет о взаимодействии света с многочастичными системами, оптические свойства которых зависят как от вида образующих их атомов, таки, вне меньшей степени, от характера межатомных сил. Как известно, основные свойства атомных систем и даже сам факт их существования нельзя объяснить в рамках классической физики. Для описания таких систем в х гг. ХХ в. была разработана новая, очень необычная по понятиям того времени физическая теория, которую сегодня называют квантовой механикой. Эта теория блестяще справилась со всеми трудностями, которые возникали при попытках описать системы атомного масштаба в рамках классической механики и электродинамики. Таким образом, атомы и молекулы являются сугубо квантовыми объектами, чьи свойства и поведение можно понять только на основе квантовой механики. Последнее заключение справедливо ив отношении конденсированных сред. Действительно, оптические и многие другие свойства твердых тел определяются видом их электронных спектров. Речь идет в первую очередь об одночастичных энергетических спектрах или, более узко, о структуре разрешенных и запрещенных зон и положении уровней локализованных (примесных, дефектных) электронных состояний. Очень важную роль при этом играет характер заполнения одноэлектронных состояний, а также зависимость средних чисел заполнения от температуры. Поскольку вид электронных энергетических спектров конденсированных среди распределение электронов по ним всецело определяются законами квантовой механики и квантовой статистики, эти среды также следует считать квантовыми системами. Иная ситуация складывается при рассмотрении другого интересующего нас объекта – электромагнитного поля. Если интенсивность этого поля достаточно велика, то его можно описывать классическим образом, на языке векторов E(r, t), B(r, t) и уравнений Максвелла. Векторы электрического поля и магнитной индукции имеют определенные значения в любой момент времени в произвольной точке пространства в случае монохроматической волны, например, они являются гармоническими функциями r и t. В этом пределе пределе сильных полей – взаимодействие излучения с веществом представляет собой взаимодействие квантовой и классической подсистем. Поскольку энергия внешнего поля велика, реакцию квантовой системы на это поле можно считать пренебрежимо малой и работать, как говорят, в приближении заданного поля. Такую теорию взаимодействия излучения с веществом, которая основана на предположении о классической природе электромагнитного поля, принято называть полуклассической. Понятно, что полуклассическую теорию нельзя считать последовательной, даже если ограничить пределы ее применения областью сильных полей. Электромагнитное поле, как и любой другой материальный объект, в конечном счете является объектом квантовыми последовательная теория взаимодействия излучения с веществом должна этот факт учитывать. В рамках такой теории полене должно выступать в роли внешнего фактора, управляющего поведением атомной системы, а играть с ней равноправные роли. В частности, поле должно иметь собственную динамику, корре- лированную с динамикой атомной системы, оно должно описываться соответствующим квантовомеханическим гамильтонианом, и т. п. В последовательной теории основной динамической характеристикой электромагнитного поля является его квантовой состояние, а не значения векторов E(r, t) и B(r, t). Более того, квантовая теория вообще запрещает этим векторам одновременно иметь определенные значения – между компонентами E(r, t) и B(r, t) существуют соотношения неопределенностей, подобные тем, которые имеются для координат и соответствующих проекций импульса частицы. Состояние поля здесь может задаваться, скажем, числом квантов (фотонов) того или иного типа, а в роли характеристик фотонов могут выступать, например, энергия, импульс и поляризация. Теория, где и поле, и атомная система описываются с помощью квантовой механики, называется квантовой теорией взаимодействия излучения с веществом. В рамках квантовой теории принимается, что система вещество + поле находится в едином квантовом состоянии, которое эволюционирует во времени. В процессе этой эволюции может происходить обмен энергией, импульсом, моментом импульса между атомной системой и полем, что служит наиболее очевидным (ноне единственным) проявлением взаимодействия излучения с веществом |