1. Фізичні принципи лазерів

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела.

Розглянемо в будь-якому середовищі два довільних енергетичних рівня 1(основний рівень) і 2(збуджений рівень) з відповідним населеностями N1 та N2. Нехай у цьому середовищі в напрямку осі z поширюється плоска хвиля з інтенсивністю, що відповідає густині потоку фотонів F. Тоді зміна густини потоку dF, обумовлене як процесами вимушеного випромінювання, так і процесами поглинання, в шарі dz (заштрихована область на рис. 1) визначається рівнянням

- середовище поводить себе як підсилювач

- середовище поводить себе поглинаюче

У випадку термодинамічної рівноваги N2 <N 1. Відповідно середовище поглинає випромінювання на частоті v, що зазвичай і відбувається. Однак, якщо вдасться досягти нерівноважного стану, для якого N2> N 1, то середа діятиме як підсилювач. У цьому випадку будемо говорити, що в середовищі існує інверсія населеностей. Середовище, в якому здійснено інверсію населеності, називатється активним середовищем.

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення «народження» фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якої випромінюванням фотонів викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить із резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як неперервним, так і імпульсним.

Характеристики лазерного випромінювання

1. Монохроматичність

ширина лінії лазерного випромінювання часто буває набагато вужще (приблизно на шість порядків величини!), ніж звичайна ширина лінії переходу 2 - 1, яка спостерігається при спонтанному випромінюванні.

2. Когерентність: просторова та часова

3. Напрямленість

4.Поляризація

промінь лазера має строго певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку розповсюдження променя лазера .

5.Потужність (є одною з головних ознак яка відрізняє лазери від інших типів випромінювачів)

6.Короткі імпульси

7.Число заповнення порядку , тобто кількість фотонів на 1 моду.

Режими роботи лазерів

Лазери з вільною генерацією

Лазери з керованою генерацією

1. Неперервний або стаціонарний режим накачки (тобто коли швидкість накачування не залежить від часу). Стаціонарна накачка призводить до стаціонарного режиму генерації, цей випадок можна розглядати як неперервний режим роботи лазера.

2. Режим модуляції добротності- імпульсний- утворення надкоротких імпульсів

Спектр випромінювання лазерів різних типів

Спектр випромінювання лазерів залежить від типу активної речовини: тверде тіло та рідина-твердотільні, газові, н/п і т.д.

Рідина: відсутній орієнтаційний порядок, рух є хаотичним, тому відстані між молекулами змінюються постійно(аналог газу при високому тиску)- уширення є широким та однорідним

Тверде тіло: атоми є фіксованими- є орієнтаційний порядок- однорідне уширення.

В кристалах є кристалічне поле, яке визначається оточенням і залежно від симетрії, а саме існування неіквівалентних напрямків призводить до неоднорідного уширення.

Тому може бути однорідне та неооднорідне уширення.

спектральні характеристики лазерів.

На спектр випромінювання лазера впливають багато факторів, один із них – розширення, моди резонатора, стабілізація частоти.

1). Монохроматичність. Доцільно брати активні речовини, тоді спектр люмінесценції не широкий – гази. Саме у газових лазерах висока степінь монохроматичності. У газів вузькі спектральні лінії ~10^-5. ширину лінії характеризують величиною - ширина резонанса (називають добротністю якщо ) – . N – загальна к-сть штрихів у дифракційній гратці, k – порядок дифракції.

2). Механізми розширення.

Радіаційне розширення. Диполь p=er (r – координата е^-). е^- коливається r=Rcosω₀t (R – амплітуда коливань). Якщо він коливається, то він повинен випромінювати => атом втрачає енергію. Потужність випромінювання: => , . Напруженість поля Е~р, , ; інтенсивність І=ЕЕ^*. Спектр інтенсивності - лоренцевий контур.

На півширина => Δω=γ, де .

З іткнення: в результаті зіткнення один атом випромінює, а другий періодично збиває його фазу. Атом випромінює фрагменти синусоїди з випадковими фазами тривалістю τ. Інтенсивність одного цуга . Сумарний спектр ; Δω_з=2/τ₀. можна усунути шляхом відкачки газу. Якщо хочемо, щоб розширення не було, треба щоб менше зіткнень. Потрібно збільшити τ₀ , значить зменшити тиск, бо λ₀ зв’язана з тиском.

Д опплерівське розширення

Частота яку зареєструє ф/приймач: . , u – гаусів контур. . Самий сильний механізм.

П ольове розширення – в достатньо інтенсивному ел полі. Скінчений час життя у збудженому стані приводить до радіаційного розширення. Вимушені переходи ↓ час життя => уширюють спектральні лінії. .

2). З розширеннями боряться.

f(v_n)n₁ –проекція шв на виділений напрямок для частинок на n₁. вмикаємо поле. Світло поглинають саме ті частинки, які мають певну проекцію шв на напрямок спостереження.

Схема експерименту.

Нехай є дві зустрічні потужні хвилі.

У ф-ції розподілу швидкостей 2 дірки.

Будемо змінювати ω => рухати дзеркала => дірки ковзають по контуру. Коли вони зійдуться, то ω= ω₀. Умови генерації покращаться.

Ширина провалу ~10^-7Гц << доплерівського контуру.

Ускладнемо конструкцію

, додаткова комірка також поглинає на частоті ω₀. він буде поглинати випромінювання лазера.

Нехай є атом. На нього летить ћω з частотою резонансу => фонон гине, а атом переходить у збуджений стан => атом рухається так, що mΔv=ћk.

Швидкість атома .

Якщо бомбардувати фотонами атом => можемо збільшити шв. Збуджений атом випромінює в довільному напрямку. Це все велика к-сть разів. Зміна імпульсу через випромінювання усереднюється і=0, а зміна імпульса через бомбардування =>зростання шв.

Сила, що діє на атом , - кількість актів поглинання-випромінення, F_H- сила насичення

Велике прискорення (~10⁵g), але насправді є Доплер. За допомогою такого тиску можна охолоджувати ансамбль атомів.

Нехай атоми дворівневі і власна частота переходу ω₀. відбувається взаємодія між обраними атомами з певною проекцією шві випромінювання. Ми будемо гальмувати ті атоми, що мають найбільш великі шв. (бо ω_л< ω₀ і на червоному схилі контуру вибрали частоту) =>охолодимо газ =>контур збудився => пересунули ω_л => ще охолодили і т.д. (Т~10^-5К).

Можна керувати атомними пучками за рахунок тиску світла на атоми.

Частинка з фонтану 2 рази перетинає пучок з Л3. Час прольоту τ визначає ширину резонансу Δω~1Гц.