линейный и квадратичный эффект Штарка в соответствии с зависимостью расщепления от напряженности внешнего электрического поля.

Различают однородное и неоднородное уширение. Уширение называется однородным, если линии каждого отдельного атома и системы в целом уширяются одинаково (естественное уширение, столкновительное уширение). Форма однородно уширенных линий хорошо описывается функцией Лоренца.

При неоднородном уширении резонансные частоты отдельных атомов не совпадают и распределяются в некоторой полосе частот, приводя к уширению

линии системы в целом при существенно меньшем уширении линии отдельных атомов. К неоднородному относится Доплеровское уширение, уширение за счет неоднородностей среды. Форма линии при неоднородном уширении описывается функцией Гаусса.

1.3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ

Общая схема оптического квантового генератора (лазера) приведена на рис.1.3.

Необходимыми элементами любого лазера являются:

1)Рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия (активная среда).

2)Устройство, в котором используется какое-либо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию населенности (система накачки).

3)Элемент, при помощи которого осуществляется интенсивное

взаимодействие излучения с веществом и происходит отбор энергии от возбужденных молекул (оптический резонатор).

4)Устройство, обеспечивающее вывод энергии.

5)Дополнительные элементы, зависящие от цели лазера. (Приборы управления лучом, модуляторы и т.д.)

2

Лазерное

излучение

1

2

Рис.1.3. Принципиальная схема лазера

16

1 - активный элемент 2 - устройство накачки 3 - зеркало со стопроцентным отражением. 4 - полупрозрачное зеркало.

Рассмотрим подробнее некоторые из элементов лазера.

1.3.1. Рабочее вещество

Активная среда лазера может быть различна по агрегатному состоянию. Именно по этому признаку различают лазеры на твердом теле, газовые лазеры, жидкостные. Соответственно различается и устройство активных элементов лазеров, относящихся к разным группам. Активный элемент твердотельного

лазера представляет собой стержень с кристаллической или аморфной структурой. В газовых лазерах активный элемент имеет вид трубки, заполненной газом или их смесью. В жидкостных лазерах активный элемент находится в кювете.

1.3.2. Создание инверсии

Возбуждение активного вещества или накачка могут осуществляться несколькими методами.

1.Оптическая накачка. Это достаточно универсальный и широко используемый метод накачки твердотельных и жидкостных лазеров, иногда он применяется и для накачки полупроводниковых и газовых лазеров. Сущность метода заключается в облучении активной среды излучением, которое

поглощается активным веществом и переводит активные центры из основного

ввозбужденное состояние. В качестве источника излучения могут быть использованы разнообразные источники света, в том числе ксеноновые лампы- вспышки низкого давления (около 100 мм.рт.ст.), вольфрам-иодные, криптоновые и ртутные капиллярные лампы высокого давления, обычные лампы накаливания, лазеры.

2.Накачка с помощью газового разряда осуществляется путем пропускания тока через газ. При этом возбуждение активных состояний атомов

и молекул осуществляется при неупругих столкновениях электронов с тяжелыми частицами, а так же при вторичных процессах в газе. В настоящее

время для накачки используются тлеющий и дуговой разряды на постоянном токе, высоких и сверхвысоких частотах.

3.Возбуждение электронным пучком. Этот метод накачки используется для полупроводниковых и газовых лазеров.

17

4.Инжекция неосновных носителей заряда через n-p переход - это самый распространенный способ накачки полупроводниковых лазеров, который позволяет непосредственно, без промежуточных стадий, преобразовывать электрическую энергию в лазерное излучение.

5.Химическая накачка применяется главным образом в газовых лазерах

ииспользует химические реакции, сопровождающиеся образованием возбужденных продуктов.

6.Газодинамическая накачка. Этот метод применяется в газовых лазерах

изаключается в резком охлаждении рабочего газа, в результате чего может быть достигнута инверсная заселенность.

1.3.3. Условия создания инверсной населенности

Условия получения инверсной населенности уровней можно получить из анализа балансных уравнений кинетики заселения и тушения конкретных энергетических уровней в активной среде при наличии накачки. При этом нет

необходимости рассматривать все возможные элементарные процессы в системе, достаточно ограничиться лишь теми, которые вносят наиболее

существенный вклад в изменение населенности рабочих уровней под действием накачки. В общем случае достаточно рассмотреть двух-, трех- и четырехуровневую схемы возбуждения активного вещества, соответствующие количеству энергетических уровней, участвующих в создании инверсной населенности.

1.3.4. Двухуровневая система

Рассмотрим простейшую двухуровневую систему, в которой активная среда имеет уровень Е1 - основное состояние и уровень Е2 - возможное возбужденное состояние (рис.1.4).

18