Лазеры Принцип работы лазера

Лазеры или оптические квантовые генераторы представляют собой источник когерентного э/м излучения, оптического или близкого к нему диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов или молекул.

Первый лазер был создан в 1960 г., в качестве активной среды использовался кристалл рубина.

Энергия возбуждения квантовой системы осуществляется путем накачки импульсного или постоянного воздействия на активную среду э/м излучением определенной частоты.

Возбуждение активной среды может осуществляется по 3-х или 4-х уровневой схеме.

Примером 3-х уровневой системы является рубин Al₂O₃+Cr³⁺. Содержание атомов хрома составляет 0,05%. Красный цвет кристалла рубина обусловлен расположением энергетических уровней атомов хрома в рубине. Возбуждение атомов хрома в рубине осуществляется за счет оптической накачки. На практике накачка рубина осуществляется лампой, обеспечивающей вспышку белого цвета. Энергетические полосы хрома позволяют использовать до 15% света ламы-вспышки. При содержании хрома в рубине 0,05% концентрация хрома составляет 10¹⁹ атомов/см³. Обычно возбуждается их половин, т.е. 5*10¹⁸ см³. Наличие фотона с определенной частотой позволяет стимулировать лазерную генерацию, заключающуюся в вынужденном излучении при переходе возбужденных атомов хрома с уровня E₂ на уровень E₁ , это позволяет генерировать излучение с частотой

.

Имеются лазеры, работающие по 4-х уровневой схеме. Например, лазер на стекле с примесью Nd³⁺ или на основе кристалла алюмоиттриевого граната с ионами Nd³⁺ .

В энергетическом спектре такого типа лазеров между метастабильным уровнем E₃ и основным уровнем E₁ имеется уровень E₂ с небольшой заселенностью возбуждённых атомов. Лазерный переход между уровнями E₃ и E₂ позволяет генерировать излучение с частотой

.

По 4-х уровневой системе работает так же ряд лазеров на газовых средах.

ПОС осуществляется с помощью 2-х зеркал, образующих интерферометр Фабри-Перо, который и является оптическим открытым резонатором. В резонаторе могут возбуждаться колебания только определенной длинны волны и определенной структурой (т.е. опред. мод.) Мода может быть интерпретирована как стационарная конфигурация э/м поля , электрические составляющие которой могут быть записаны в виде:

, где - собственная частота резонатора.

Любой резонатор характеризуется добротностью Q, который представляет собой отношение запасенной в резонаторе энергии и средней энергии за 0,5 за период колебаний. Q может выражаться через эффективное время жизни фотона в моде

.

Э/м волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора отражаются и интерферируют между собой. Коэффициент отражения зеркал достаточно высок и в пространстве резонатора образуются э/м колебания строго определенной длины волны. Расстояние между зеркалами в резонаторе Фабри-Перо выражается через соотношение : , где - целое число.

Такая система резонирует на частотах .

В действительности существуют не резонансные линии, а резонансные полосы шириной Гц для резонатора длинной L=1 м. Соответственно в пределах спектральной линии активной лазерной среды укладывается от десятка до нескольких тысяч собственных колебаний резонатора. Такой резонатор называется многочастотным . Спектр собственных частот лазера определяется собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектральной линии.