Лекция №14

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ С ГАЗОВЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ КВАНТОВЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ

1. Понятие о газовом оптическом квантовом генераторе

Оптическим квантовым генератором (ОКГ) называют источник когерентного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании вынужденного испускания и обратной связи. Когерентность излучения ОКГ достигается обеспечением синхронности испускания света частицами (атомами, молекулами, ионами) рабочего вещества.

Основные компоненты оптического квантового генератора — активное вещество и резонатор. Активное вещество ОКГ тем или иным способом приводят в возбужденное состояние, заставляя частицы рабочего вещества (атомы, молекулы или ионы) излучать свет. Резонатор служит для синхронизации излучения, приводящей к высокой его когерентности. Краткое название оптического квантового генератора «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «Light amplification by stimulated emission of radiation», что по-русски означает усиление света при помощи индуцированного излучения.

В зависимости от природы рабочего вещества лазеры бывают твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые.

В основе устройства и работы лазера лежит использование свойств и строения атомов рабочего вещества. Вокруг положительно заряженного ядра атома происходит вращение электронов, которое может происходить на различных орбитах. Расстояние орбиты от ядра зависит от запаса энергии, которой обладает электрон, или, как говорят, от энергетического уровня, на котором он находится. Переход электрона с орбиты на орбиту и соответственно с одного энергетического уровня на другой происходит не плавно, а скачком. Получив необходимую дозу энергий, электрон переходит с низшего энергетического уровня на более высокий. Переходя с высшего на низший уровень, электрон: излучает энергию. Длина волн излучения зависит от разности энергий на высшем и низшем уровнях,

Перевод электронов на верхний энергетический уровень может выполняться путем облучения рабочего вещества световым потоком, пропусканием через него электрического тока, а также за счет столкновений частиц (атомов и молекул).

Возвращение электронов на нижний энергетический уровень может происходить различно. Время жизни возбужденного состояния атома невелико (порядка 10^-8 с), поэтому имеет место процесс самопроизвольного или «спонтанного» возвращения атома в невозбужденное основное состояние. При этом происходит, как указывалось, излучение накопленной атомом энергии. Переход на нижний энергетический уровень может быть и вынужденным. Если на электрон, занимающий высший энергетический уровень, воздействовать излучением той же длины волны, на которой он сам излучает энергию, переходя на нижний уровень, то электрон, не удерживаясь на высшем уровне, переходит на низший. Этот переход сопровождается излучением на указанной длине волны.

Для оптических квантовых генераторов используют такие вещества, которые обладают свойством накапливать электроны на некотором энергетическом уровне. Под воздействием световой волны все такие электроны синхронно переходят на нижний уровень, излучая энергию одновременно на одной и той же длине волны. При этом достаточно одному атому перейти в основное состояние и испустить свет, чтобы вызвать такой же переход в других атомах.

Способностью накапливать электроны на некотором энергетическом уровне обладают вещества, атомы (молекулы, ионы) которого могут находиться не только в возбужденном, нестабильном и основном стабильном состоянии, но еще и в третьем, так называемом метастабильном состоянии Схема энергетических уровней частиц такого вещества показана на рис. 1, где нижний уровень 1 — основное состояние атома, верхний 3 — возбужденное состояние и средний 2 — метастабильное состояние.

Рис. 1. Энергетические уровни частиц вещества

Сообщая частицам вещества энергию, приводят их в возбужденное' состояние (на рис. 1 — переход 1—3), из которого они спонтанно переходят в метастабильное состояние, излучая при этом некоторое количество энергии, (переход 3—2). Время жизни метастабильного состояния значительно больше времени жизни возбужденного состояния. Поэтому происходит накопление частиц, находящихся в метастабильном состоянии, или, как говорят, увеличивается населенность метастабильного уровня.

При одновременном переходе частиц из метастабильного в основное состояние часть выделяемой энергии поглощается частицами, находящимися на нижнем энергетическом уровне и переходящими вследствие этого в возбужденное состояние; остальная энергия излучается. Поэтому, чтобы обеспечить излучение, должен быть избыток числа частиц на верхнем уровне относительна числа частиц на нижнем энергетическом уровне. Создание такого избытка, называемого инверсией населенности, обеспечивается приведением его частиц в возбужденное состояние («накачкой») надлежащим выбором рабочего вещества свойством которого является существование метастабильного состояния у его частиц.

Синхронность излучения частиц в ОКГ обеспечивается резонатором, представляющим собой два отражателя, между которыми располагают излучающее свет рабочее вещество. Отражатели устанавливают в такое положение, чтобы между ними возникла стоячая волна колебаний той длины, на которой происходит рабочее излучение. Тогда излучение, направленное под углом к оси резонатора (линии, соединяющей центры отражателей), покидает резонатор и теряется. Излучение же, направленное вдоль оси резонатора, многократно отражается зеркалами, вызывая переход частиц вещества из метастабильного состояния в основное излучение частицами все новых доз энергии. Благодаря установке отражателей, как указано выше, достигается резонанс в излучении разными частицами, т. е. высокая когерентность излучения. Если один из отражателей полупрозрачный, из него выходит пучок излучения, остро направленный и обладающий монохроматичностью, высокой временной и пространственной когерентностью и потому малорассеивающийся в пространстве.

По режиму излучения ОКГ изготавливают импульсные и непрерывного действия.

Из газовых лазеров наиболее распространен гелий-неоновый лазер, рабочим веществом в котором является смесь газов гелия и неона, помещенная в стеклянную или кварцевую газоразрядную трубку. Основной газ —неон, а примесный — гелий.

Рис. 2. Схема энергетических уровней атомов неона

На электроды газоразрядной трубки от источника постоянного тока подается высокое (до 3 кВ) напряжение. В трубке возникает газовый разряд, сопровождаемый свечением. Атомы гелия, концентрация которого в несколько раз выше концентрации неона, газовым разрядом приводятся в возбужденное состояние. Соударяясь с атомами неона, они передают неону энергию, отчего атомы неона оказываются в метастабильном состоянии. Метастабильных ypoвней у неона три: 3s, 2s и 1s (рис. 2), но в результате соударений с атомами неона заселяются только уровни 3s и 2s, которые соответствуют энергетическим уровням возбужденных атомов гелия.

При газовом разряде одновременно с уровнями 3s и 2s заселяются и метастабильный уровень 1s, а также уровни 2р и 3р, соответствующие возбужденному, нестабильному состоянию атомов. Однако вследствие большой концентрации гелия описанный выше путь передачи энергии частицами неона, приводящий их на уровни 3s и 2s, оказывается доминирующим. Кроме того, время жизни частиц на уровнях 2р и 3р мало, а уровень 1s обедняется диффузией энергии к стенкам сосуда.

Таким образом обеспечивается инверсная населенность уровней 3s и 2s относительно уровней 1s, 2р, 3р и основного состояния.

Рабочий переход гелий-неонового лазера — переход атомов неона из состояния 3s в состояние 2р, сопровождаемый излучением на волне 0,63 мкм (оранжевато-красный свет). Переход с уровня 3s на уровень 3р сопровождается инфракрасным -излучением на волне 3,39 мкм и является конкурирующим, обедняющим уровень 3s. Переход 2s — 2р слабее.

Из возбужденных состояний 2р и Зр атомы неона спонтанно переходят в метастабильное состояние 1s, а из последнего, благодаря диффузии энергии к стенкам трубки, — в основное. Поэтому мощность излучения обратно пропорциональна радиусу газоразрядной Фрубки. Чем меньше «радиус, тем лучше беднение уровня 1s и, следовательно, уровней 2р и 3р.