Інверсне заселення рівнів

delt=wN(n₂-n₁) N – число квантів, w – ймовірність переходів частинок між основними і збудженими рівнями, delt – різниця числа переходів Е1-Е2 і Е2-Е1. У термодинамічній рівновазі n2<n1, тому дельта менше 0. Це означає, що переважають процеси поглинення енергії. Щоб переход Е2-Е1, який дає стимульоване випромінювання переважав поглинення, необхідно, щоб н2 більше н1.

Тобто ми повинні створити такі умови. Таке заселення називається інверсним.

Середовище, у якому воно створене будемо звати активним середовищем.

Нехай на це середовище діє світлова енергія. Вона буде стимулювати переходи 4 , але оскільки н2 більш н1, то перехід Е2-Е1 буде переважати Е1-Е2. Це і є принцип дії квантового підсилювача, основна робота якого інверсне заселення у активному середовищі.

Необхідно забезпечити повернення частини енергії, що випромінюється у активне середовище, тобто забезпечити системі позитивний зворотній зв'язок. Такі умови забезпечує об’ємний резонатор, тобто ми наше активне середовище з інверсним заселенням розташовуємо у об’ємному резонаторі.

Відбувається збудження Е1-Е3.

На вхід 1 накачується енергія із частотою w3 до створення інверсного заселення рівня 3 шляхом переходу частинок з рівня 1 на 3. При цій умові на вхід 2 подається стимулюючий сигнал з частотою w32 який стимулює перехід 3-2 з виділенням випромінювання w32 на виході 3.

Лазери

Це квантовий генератор, який працює в режимі самозбудження.

Е_випр+Е_сигн > Е_вж+Е_нав – квантова система переходить в режим самозбудження. Така система працює як оптичний квантовий генератор, випромінювання в якому збуджується без стимулюючого сигналу під впливом спонтанно випущених квантів у активному середовищі.

С

Акт. сер.

сист. накачки

сист. охол.

творимо самостійно узагальнену структурну схему лазера.

1 – активне середовище

2 – дзеркала резонатора

3- оптична вісь системи

4 – система накачки енергії

5 – система охолодження активного середовища

Створюємо інверсного заселення шляхом накачки 4. Завдяки істотній неоднорідності середовища у якісь точці А спонтанно виділяється квант світлової енергії. Вона розповсюджується у всіх напрямках. Доходить до дзеркал резонатора 2 і відражається від а2 , а від 2 – частково і проходить ззовні у вигляді випромінювання 6. Відражена частина цієї енергії проходить АС і стимулює випромінювання енергії по ходу проходження, ця енергія відражається від 2а, від 2 і повторюється процес багатократно, генеруючи випромінювання 6.

03.05.12

Параметри окг.

Основні параметри: Розходимість променя, монохроматичність випромінювання, когерентність випромінювання.

1. Розходимість променя. Завдяки принципу дії лазер генерує промінь з малим діаметром у перетині. Завдяки конструкції резонатора активного середовища промінь формують тільки його складові, направлені вздовж оптичної осі. Тому розходимість променя мінімальна. Δ<1. Тобто лазерний промінь проходить велику відстань з малими втратами енергії.

2. Монохроматичність. Випромінює на 1 довжині хвилі. λ+Δλ. Припускають, що Δ немає і лазер випромінює монохроматичне випромінювання. Це протиречить закону Гейзенберга. Він встановив,що неможливо одночасно точно визначити координату та імпульс мікрочастинки у просторі. Δх*ΔР_х<=h.

ΔЕ*τ<=h. Така зміна може відбуватись при неточності у часі.

Лазер може випромінювати лине на власній частоті резонатора, яка відповідає співвідношенню

L=n*λ/2. При виконанні цієї умови хвилі, які багаторазово відражають ся від дзеркал співпадають по фазі і амплітуди сумуються. Неспівпадання фаз дасть значення Δλ, величина якої – добротність резонатора. Якщо перевести в частоту - <100Гц.

Стабільність лямбда чи частоти пропорційна L – довжині резонатора.

3. Когерентність випромінювання. Когерентність – це спів падання фаз коливань, які розглядають в різних точках простору в різні моменти часу. Тому фази коливань складаються і всі коливання, які виникають у різних точка у часі співпадають. q – 10¹⁶Дж/см².

Когерентність має 2 види:

• просторова

• часова

Промінь 1 проходить шлях АВ, т1

Промінь 2 – АСДВ, т2, t2>t1

На екрані В будуть додаватись хвилі, які випущені з одного джерела, але відділені один від одного у часі на ƫ=т2-т1. Якщо світова картинка на В не змінюється, то кажуть, що світло має часову когерентність. Чим більше ступінь монохроматичності – тим більше час когерентності. У лазерах час когерентності може сягати 10^-2с.

Малюнок Б. 2 променя. В точні С приходять коливання, які не зміщені у часі але з різних точок простору. Якщо на екрані спостерігається стабільна картина, то йдеться про просторову когерентність