1 Лазер (определение)

Лазер – генератор излучения, когерентного во времени и в пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения.

2 Когерентное излучение (определение)

Если же колебания всех излучающих атомов протекают согласовано во времени, т.е. значение параметров υ φ₀, и направление поляризации для всех атомов одинаково, то имеет место когерентное излучение.

3 Лазерно- активная среда( определение)

Активной (усиливающей) называется такая среда, в которой интенсивность проходящего светового луча возрастает.

4 Вынужденное излучение (определение)

Вынужденное излучение – это когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением).

5 Лазерное усиление

При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое электрическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденно-активных атомов (лазерно-активную среду) и пропускать через эту систему излучения, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения называется – лазерным усилением.

6 Населенность и инверсия населености

Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние.

В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана:

N₂/N₁ = exp[- (E₂ – E₁)/kT] , (7)

Где N₂ – населенность возбужденными атомами (в состоянии Е₂)

N₁ – населенность невозбужденными атомами (в состоянии Е₁)

При этом

ΔN = N₂ – N₁ = N₁[exp[- ((E₂ – E₁)/kT)-1] (8)

отрицательна, и в веществе имеем нормальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии лазерное усиление невозможно.

К огда ΔN> 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенности и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов.

Формально из выражения (7) следует , что условие ΔN> 0 выполняется при абсолютной отрицательной температуре (Т<0). Поэтому состояние инверсии населённости иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населённости, называют активной средой.

Таким образом, усиление вынужденного излучения или лазер требует: во первых инверсии населённости (N2>N1) и, во вторых подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.

7 Генерация лазерного излучения (схема лацерного генератора принцип работы)

Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер – генератор излучения, необходимо ввести ПОС. Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передаётся с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи ОС.

В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают много­кратное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными. В общем случае оптический резонатор – это система отражающих, преломляющих, фокусирующих и других элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться волны оптического диапазона. Лавинообразный процесс возникновения лазерного излучения («Фотонной лавины») в оптическом резонаторе иллюстрируется на рис. 2.

Слой среды с отрицательным поглощением (кювета с газом или кристалл) помещён между двумя достаточно плоскими зеркалами, установленными параллельно друг другу. На рис.2 1–активная среда, 2–сплошное зеркало, 3 – полупрозрачное зеркало. Любой фотон, возникший в активной среде за счёт спонтанного испускания возбуждённых накачкой атомов среды, является «затравкой» процесса генерации света.

Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кюветы или кристалла. Он рождает лавину фотонов летящих в том же направлении (рис. 2.а). Часть этой лавины пройдёт через полупрозрачное стекло 3 наружу, а часть отразится и будет нарастать в активной среде (рис 2.б). Когда лавина фотонов дойдёт до сплошного зеркала 2, она частично поглотится, но после отражения от зеркала 2 усиленный поток фотонов вновь будет двигаться, так же как и первоначальный затравочный фотон (рис 2.в). Таким образом, с помощью зеркал в ОКГ реализуется ПОС, необходимая во всяком генераторе для того, чтобы был обеспечен режим генерации. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное стекло, создаёт строго направленный пучок лучей света огромной яркости.