ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-2

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 2:

2.1.Принцип действия лазера

2.2.Принципиальная схема лазера

2.3.Основные свойства

Первый квантовый генератор на аммиаке

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трѐх атомов водорода (связи N-H). Благодаря тому, что не связывающее двухэлектронное облако строго ориентировано в пространстве, молекула аммиака обладает высокой полярностью. .

Первые лазеры

Следующий этап развития квантовой электроники связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч. Таунс, А. Л.

Шавлов и А. М. Прохоров показали возможность использования явлений

вынужденного усиления в поле оптических излучений. Первый действующий лазер

LIGHT AMPLIFICATION by STIMULATED EMISSION of RADIATION (LASER)

на рубиновом стержне был создан Т. Майманом в 1960 г. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана лежат в основе всех современных лазеров.

Американские физик А Джэван на основании спектроскопических исследований предположил, что электрический разряд в смеси неона и гелия должен создать инверсии населенностей уровней и в 1960 г. построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона. Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (М. Натан, В. Думке, Р. Холл и др., 1962 г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым (1958-1961 гг.). Первый молекулярный лазер был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел КПД примерно 10 % и значительную мощность (около 10 Вт).

Создание инверсной населенности (1)

Создание инверсии населенности.

Инверсия населенности уровней является существеннейшим условием появления лазерного

излучения. Она гарантирует, что среди частиц существует больше излучателей, чем поглотителей,

в результате чего вынужденное излучение доминирует над спонтанным излучением и процессами поглощения. Есть два возможных способа создания инверсии.

Один из них - заселение верхнего уровня путем возбуждения дополнительных атомов или молекул до верхнего уровня. Другой заключается в уменьшении населѐнности нижнего лазерного уровня, участвующего в генерации. На самом деле, для получения устойчивого лазерного воздействия, необходимо использовать оба пути: увеличение населѐнности верхнего уровня и уменьшение населѐнности нижнего.

Ввод возбуждения, оптическим или электрическим методом, как правило, повышает энергию атомов или молекул до уровня, более высокого, чем верхний лазерный уровень, откуда она быстро падает до верхнего лазерного уровня. В некоторых случаях, возможно введение атомов других элементов, отличных от тех, которые составляют основу для активной среды. Затем возбужденные атомы передают свою энергию активным частицам, вызывая инверсию населенности. Гелийнеоновый лазер является типичным примером такого рода, где ввод возбужденных атомов гелия приводит к передаче их энергии атомам неона, чтобы поднять их на более высокий лазерный уровень. Другая важная концепция необходимая для получения лазерного воздействия, является наличие такого метастабильного состояния, как верхний лазерный уровень. Для вынужденного излучения, возбужденное состояние должно существовать порядка от нескольких микросекунд до миллисекунды или около того. Возбужденные частицы должны оставаться в возбужденном верхнем лазерном уровне в течение более длительного времени для того, чтобы позволить продолжаться взаимодействию между фотонами и возбужденными частицами, которое необходимо для эффективного вынужденного излучения. Если верхний лазерный уровень просуществует несколько наносекунд, большинство возбужденных частиц перейдет на нижний уровень, за счет спонтанного излучения. Суть в том, что, для достижения эффективного лазерного действия, наращивание населенности верхнего лазерного уровня должен быть быстрее, чем его распад. Таким образом, чем дольше просуществует верхний лазерный уровень, тем легче достичь нужного результата.

Создание инверсной населенности (2)

Двух-, трех-и четырехуровневые лазерные схемы.

Еще одной важной особенностью, имеющей отношение к лазерному воздействию, является

структура энергетического уровня лазерной среды. Как мы увидим в следующих разделах,

структура энергетического уровня, в частности энергетических уровней, участвующих в процессе инверсии населенности и лазерного воздействия, значительно влияет на производительность лазера.

Двухуровневая лазерная схема

В лазерной двухуровневой системе, есть только два уровня, участвующих в общем процессе. Атомы или молекулы на нижнем уровне, который также является нижним уровень лазерного перехода, возбуждаются до верхнего уровня путѐм накачки или иного механизм а возбуждения. Верхний уровень также становится верхним лазерным уровнем. Как только достигнута инверсия населѐнности и еѐ степень превышает

порог инверсии, может возникнуть лазерное излучение.

Рисунок показывает расположение энергетических

уровней в двухуровневой системе. Двухуровневая система является, однако, лишь теоритической концепцией постольку, поскольку это интересно с

точки зрения изучения лазеров. На сегодняшний момент и никогда не были сделаны лазеры, работающие как двухуровневая система.

Трехуровневая лазерная схема

В трехуровневой лазерной системе, нижний уровень лазерного перехода является основным состоянием (самым нижним энергетическим уровнем). Атомы или молекулы возбуждаются на верхний уровень, который находится выше верхнего уровня лазерного перехода. Верхний уровень, до которого атомы или молекулы возбуждаются от основного состояния, имеет относительно менее короткое время существования, нежели чем верхний лазерный уровень, который является метастабильным уровнем.

Создание инверсной населенности (3)

Врезультате, возбужденные частицы быстро падают до метастабильного уровня. Относительно более длительное время существования метастабильного уровня обеспечивает инверсную населенность между метастабильным уровнем и основным состоянием при условии, что более половины из атомов или молекул в основном состоянии уже были возбуждены до самого верхнего коротко живущего энергетического уровня. Процесс возникновения лазерного действия происходит между метастабильным уровнем и основным состоянием.

Рубиновый лазер представляет собой классический пример трехуровневого лазера. Рисунок

показывает структуру энергетических уровней для этого лазера. Один из основных недостатков рубинового и других трехуровневых лазеров это то, что нижний лазерный уровень является одновременно основным состоянием.

Вусловиях термодинамического

равновесия, почти все атомы или молекулы, находятся в основном состоянии и поэтому для достижения лазерной генерации требуется возбудить из основного состояния более половины из их числа. Это означает, что для превышения порога инверсии населенности, требуется значительно больше энергии накачки. Что делает очень трудным постоянно поддерживать инверсию населенности не может работать в режиме непрерывного излучения (CW).

Создание инверсной населенности (4)

Четырехуровневая лазерная схема

Идеальным вариантом было бы, если бы нижний лазерный уровень представлял собой не основное состояние, чтобы на нем было бы значительно меньше атомов или молекул в состоянии термодинамического равновесия, для решения проблемы трехуровневых лазерных систем. Такая ситуация возможна в четырехуровневых лазерных системах, в которых нижний лазерный уровень выше основного состояния.

В лазерной системе с четырьмя уровнями, атомы или молекулы возбуждаются из основного со-

стояния до верхнего высоковозбужденного короткоживущего энергетического уровня. Необходимо помнить, что в данном случае нижний лазерный уровень не является основным состоянием. В этом случае, число атомов или молекул требуемых возбудить для перехода на верхний уровень будет зависеть от населенности нижнего лазерного уровня, которая значительно меньше, чем населенность основного состояния. Кроме того, если имеется верхний уровень, на котором атомы или молекулы изначально возбуждены и нижний короткоживущий лазерный уровень, а у верхнего лазерного уровня (метастабильного уровня) более длительный срок существования, то было бы гораздо легче достичь и поддерживать инверсию населенности. Это достижимо за счет двух основных особенностей четырехуровневого лазера.

Одна из них это быстрая заселяемость верхнего лазерного уровня, которая является результатом чрезвычайно быстрого падения возбужденных частиц с верхнего возбужденного уровня, где они оказываются при участии возбуждения к верхнего лазерного уровня и сопровождается долгосрочной жизни верхнего лазерного уровня. Вторая особенность заключается в том, что депопуляция нижнего лазерного уровня есть результат его короткого времени существования. Благодаря этому становится гораздо проще поддерживать инверсию населенности и тем самым становится легче заставить работать лазер в режиме непрерывного излучения (CW). Это одна из основных причин, почему четырехуровневые лазеры, такие как Nd: YAG или гелий-неоновый, могут работать в непрерывном режиме. В то время как трехуровневый рубиновый лазер - только в импульсном.

Создание инверсной населенности (5)

Nd: YAG, гелий-неоновые и CO2 лазеры являются одними из самых популярных лазеров с четырехуровневой энергетической структурой. Рисунок показывает структуру энергетического уровня Nd: YAG лазера. Накачка или вход возбуждения поднимает атомы или молекулы на самый верхний энергетический уровень, который на самом деле является не одним уровнем, а целой группой энергетических уровней. Это является крайне выгодной особенностью, по причине, о которой более подробно будет сказано в разделе о механизмах накачки. Возбужденные частицы быстро попадают на верхний лазерный уровень (метастабильный уровень). Время перехода составляет около 100 нс.

Метастабильный уровень имеет время жизни около 1 мс и нижний лазерный уровень имеет время жизни 30 нс. Если мы сравним имеющий четырехуровневую структуру Nd: YAG лазер с другим твердотельным, также обладающим четырехуровневой структурой лазером из неодим - иттрия литий фторида (Nd: YLF), мы сможем найти поразительную разницу во времени существования метастабильных уровней. Nd: YLF имеет более длительное время существования метастабильного уровня (обычно несколько миллисекунд), по сравнению с 1 мс для Nd: YAG лазера. Это дает более

высокую ѐмкость хранения для возбужденных частиц в метастабильном уровне. Другими словами, это означает, что Nd: YLF стержень может быть подвергнут более сильной накачке и, соответственно, может выделить больше энергии, чем Nd: YAG стержень того же размера.

Принципиальная схема лазера

На схеме обозначены:

1.Рабочая среда

2.Энергия накачки лазера

3.Непрозрачное зеркало

4.Полупрозрачное зеркало

5.Лазерный луч