![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •2.Основные физические понятия и принципы работы лазеров.
- •3.Спонтанное и индуцированное излучение и их сво-ва.
- •4.Поглощение.Коэффициенты поглощения.
- •5.Вероятности переходов. Коэффициенты Энштейна.
- •6.Принцип работы лазеров.Оптическая накачка, скорость накачки. Активная среда.
- •7.Коэффициент усиления и условие самовозбуждения генератора. Порог генерации.
- •8. Излучение в резонаторе. Модовая структура поля.
- •9.Дисперсия и коэффициент поглощения.
- •10. Интегральные коэффициенты Эйнштейна.
- •11. Форма и ширина спектральной линии.
- •12. Время жизни возбужденных состояний. Безызлучательная релаксация.
- •13. Механизмы уширения линии. Естественное время жизни и ширина спектра спонтанного излучения.
- •14. Однородное уширение спектральной линии. Профиль однородного уширения линии.
- •15.Неоднородное уширение и контур линии поглощения
- •16. Насыщение в двухуровневой системе.
- •17.Насыщение поглощения при однородном уширении.
- •18.Насыщение поглощения при неоднородном уширении.
- •19. Лазеры на основе конденсированных сред. Общая хар-ка. И св-ва.
- •20. Режимы работы твердотельных лазеров.
- •21.Лазер на рубине. Принцип действия и генерационные характеристики.
- •22. Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах и их генерационные характеристики.
- •23: Лазер на итрий-алюминиевом гранате (иаг). Структура энергетических уровней и генерационные характеристики.
- •24. Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, типы полупроводниковых лазеров. Спектральные и генерационные характеристики.
- •25. Лазер на александрите. Структура энергетических уровней и генерационные характеристики.
- •26.Лазеры на красителях.
- •27.Ге́лий-нео́новый ла́зер.
- •28.Ионные газовые лазеры.Схема энергетических состояний и механизм получения инверсии в ионизированном аргоне.
- •29.Лазеры на парах металлов.Общая характеристика и принцип действия гелий-кадмиевого лазера.Генерационные параметры.
- •30.Лазер на парах меди.
- •31. Молекулярные лазеры. Общая характеристика и типы молекулярных лазеров. Со2-лазер. Устройство и генерационные параметры.
- •32. Молекулярные лазеры ультрафиолетового диапазона. N2-лазер.
- •33. Эксимерные лазеры. Механизм образования инверсии и генерационные параметры эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов.
- •35.Газодинамические лазеры. Принцип действия и генерационные параметры.
- •36.Оптические резонаторы, их виды и свойства.
- •37.Добротность и потери резонатора, число возбужденных мод. Модовые конфигурации резонатора.
- •38.Обобщенный сферический резонатор.
- •39.Дисперсионные резонаторы и их характеристики.
- •40.Неустойчивые резонаторы. Коэф. Увеличения и потерь резонатора.
- •41.Симметрический и телескопии-ческий неустойчивые резонаторы.
- •42.Химичечкие лазеры их типы и генерацион. Параметры.
- •43. Лазеры на свободных электронах и их свойства.
- •45. Теория лазера. Пороговые условия генерации. Стационарный режим.
- •46. Теория лазера. Модулированная добротность. Нестационарный режим генерации.
- •48.Режим синхронизации мод. Активная и пассивная синхронизация мод.
10. Интегральные коэффициенты Эйнштейна.
=
Вероятность поглощения:
dp
погл =b
21 ^w
Интегрируя получаем:
Р погл =
Квантовая механика для решения уравнения дает формулу:
Р погл =
D(m,n)- матричный элемент дипольного момента
b(m,n)=
-вероятность
перехода в единицу времени
-угол
между направлением дипольного момента
и направлением сильного поля
-направление
пучка
=
-
(m,n)
Для случая α=1 вероятность перехода:
b(m,n)=
Для α=2
Перпендикул.
Вероятность спонтанного испускания:
d
pсп
=(D(m,n))
Интегрируя по dΩ:
d pсп=А21 dΩ
В общем случае
A(m,n)=
B(m,n)=
B(n,m)=B(m,n)
A(m,n)=B(n,m)
11. Форма и ширина спектральной линии.
До
сих пор, рассматривая оптические
квантовые переходы, мы говорим о двух
энергетических уровнях Еi и Ек, изображая
их в виде тонких горизонтальных линий
и приписывая им строго определенные
значения энергий. Переходы между такими
уровнями приводят к излучению бесконечно
узкой спектральной линии. В действительности
подобная ситуация невозможна хотя бы
по той причине, что время жизни микрочастиц
t в возбужденном состоянии конечно.
Неопределенность энергии состояния в
соответствии с соотношением
неопределенностей ΔΕΔτ≥ћ (1.5) Рисунок
1.5 - Уширение спектральных линий. приводит
к неопределенности частоты перехода,
равной
Постоянная
времени τ является мерой времени,
необходимой для того, чтобы возбужденная
система отдала свою энергию. Значения
τ определяется скоростями спонтанного
излучения и безизлучательных релаксационных
переходов. Наблюдается уширение
соответствующего энергетического
уровня на величину ΔΕ (см. рис. 1.5).
Спектральная линия излучения в этом
случае характеризуется шириной( или
полушириной) линии Dn, т.е интервалом
частот, в пределах которого интенсивность
излучения уменьшается вдвое относительно
максимальной величины на частоте n0.
Распределение
интенсивности излучения по частоте в
пределах данной линии описывается
нормированной функцией g(n), которая
называется формфактором спектральной
линии или просто формой (контуром) линии.
Функция g(n) нормируется таким образом,
что
.
Минимально
возможная ширина спектральной линии
называется естественной шириной линии
излучения, наблюдается для системы
неподвижных, не взаимодействующих друг
с другом микрочастиц, время жизни которых
в возбужденном состоянии обусловленно
процессами спонтанных переходов. Поэтому
естественная ширина линии Dnест
определяется вероятностью спонтанных
переходов Aik.
Рисунок 1.6 –
Гауссова (1) и Лоренцева (2) формы линий.
Так как Aik~n3и в видимой области спектра
составляет величину около 108с-1 [3] для
разрешенных переходов, типичное значение
Dnест @ 10-20 МГц. Для переходов с метастабильных
уровней естественная ширина линий не
превышает нескольких сотен герц. Контур
линии спонтанного излучения (рис.1.6)
описывается функцией Лоренца и имеет
вид резонансной кривой с максимумом на
частоте n0, спадающей до половины пиковой
величины при частотах
. n=n0 ± Dnест/2. Ширина такой линии равна
[2]. Спектральные линии, наблюдаемые в
реальных условиях, значительно шире
естественных, поскольку в системах с
дискретными уровнями энергии, кроме
спонтанных и вынужденных переходов,
существенную роль играют релаксационные
безизлучательные процессы. В зависимости
от конкретной ситуации механизм таких
процессов может быть связан с соударениями
между молекулами газа или жидкости,
бесстолкновительным взаимодействием
между ионами и кристаллической решеткой
и др. В конечном итоге происходит
увеличение скорости обмена энергией
между частицами, что эквивалентно
уменьшению времени их жизни в возбужденном
состоянии и, следовательно, дополнительному
уширению линии излучения. Форма
спектральной линии, уширенной за счет
столкновений, описывается функцией
Лоренца, как и при естественном уширении,
только вместо t необходимо использовать
время релаксации tр, определяемое
процессами столкновений.
Все виды уширения
спектральной линии, обусловленные
конечностью времени жизни возбужденных
состояний, относятся к однородному
уширению. При однородном уширении
спектральная зависимость g(ν) характеризует
как отдельно взятую микрочастицу, так
и всю их совокупность. Другими словами,
линии каждой микрочастицы и всей среды
в целом уширяются одинаково. Однородно
уширенные линии имеют лоренцеву форму.
Уширение называют неоднородным, если
резонансные частоты νoi отдельных частиц
не совпадают и распределены в некотором
частотном интервале, что приводит к
уширению линий системы частиц в целом
при значительно меньшем уширении линий
отдельных частиц. Следовательно,
неоднородное уширение присуще не каждой
отдельно взятой частице, а проявляется
как коллективное свойство, обусловленное
независимым поведением частиц, находящихся
в неодинаковых условиях. Классическим
примером неоднородного уширения является
доплеровское уширение, характерное для
газов при невысоких давлениях. Как
известно, суть эффекта Доплера [6]
заключается в том, что частота излучения,
воспринимаемая неподвижным приемником,
зависит от скорости и направления
движения излучателя. Если частица,
излучающая на частоте ν0, движется
относительно приемника со скоростью ν
, то приемник в зависимости от направления
движения частицы воспринимает частоты
в диапазоне от
до V(min)=V0(1*V/c)
где V
- частота излучателя, с - скорость света,
v
– скорость движения излучателя
относительно приемника. Хаотичность
теплового движения частиц газа приводит
к тому, что вместо одной уширенной линии
с резонансной частотой ν0
приемник воспринимает совокупность
таких плотно расположенных линий,
огибающая которых дает контур доплеровски
уширенной линии газа. Естественно, ее
форма будет определятся распределением
частиц газа по скоростям . При максвеловском
распределении по скоростям форма линии
описывается функцией Гаусса (рисунок
1.6 [3])Ширина спектральной линии при
доплеровском механизме уширения равна
[1]:
,
где М- масса
атома (молекулы газа)
νg- доплеровская частота.Роль доплеровского уширения особенно значительна в оптическом диапазоне при повышенных температурах. В реальных условиях, как правило, действует одновременно несколько механизмов уширения. При преобладании одного из них наблюдаемая спектральная линия уширена однородно или неоднородно и имеет лоренцеву или гауссову форму. После установления формы спектральной линии g(ν) можно определить в явном виде спектральную зависимость коэффициентов Эйнштейна [1]. Форм фактор определяет связь между дифференциальными и интегральными коэффициентами Эйнштейна.
aik(ν) = Aik*g(ν),
bik(ν)= Bik*g (ν),
bki(ν)= Bki*g(ν),
где aik(ν), bik(ν), bki(ν) - дифференциальные коэффициенты,
Aik*, Bik* , Bki* - интегральные коэффициенты.
Введенные ранее коэффициенты Эйнштейна носят интегральный характер, поскольку связаны лишь с фактом испускания или поглощения фотонов в результате соответствующих квантовых переходов. На самом деле эти коэффициенты частотно зависимы. В связи с этим пользуются дифференциальными коэффициентами, обозначенными малыми буквами aik(ν), bik(ν), bki(ν). Все ранее выведенные соотношения справедливы и для них.