Квантовая и оптическая электроника. Лекция №10

Квантовые приборы оптического диапазона (лазеры).

Оптическими квантовыми приборами называют приборы, использующие явления индуцированного излучениядля генерации или усиления электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне: ультрафиолетовой (0,010,38 мкм), видимой (0,380,77 мкм) и инфракрасной (0,77340 мкм) области спектра.

Классификация.1.По характеру рабочего вещества:

1. газовые (гелий-неоновый лазер, газодинамический)

2. твердотельные (рубиновый лазер)

3. полупроводниковые (инжекционный лазер)

2. По способу возбуждения активного вещества:

1. за счет оптического излучения

2. потоком электронов

3. солнечной энергией

4. химической энергией и т.д.

3.По режиму работы:

1. импульсный

2. непрерывный

4. По характеру излучаемой энергии:

1. монохроматический (излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн)

2. широкополосный (излучение лазера сосредоточено в широком интервале длин волн).

Б

Рис.1

лок-схемалазера показана на Рис.1. Активное вещество помещается в оптический резонатор, основное назначение которого — обеспечить многократное прохождение индуцированного излучения через активное вещество.

Система накачки применяется для создания инверсной населенности. Принцип накачки определяется в основном физическими свойствами активного вещества, и поэтому эта система выбирается применительно к каждому типу лазера.

Большенство лазеров работает при температурах жидкого гелия (4,2К) или жидкого азота (77К). В этих случаях используется система охлаждения активного вещества.

Рассмотрим подробнее основную часть лазера - оптический резонатор, который представляет собой пару отражающих элементов, обращенных друг к другу. В качестве отражающих элементов используют плоские зеркала (рис. 2, а), сферические или параболические зеркала (рис. 2,б), призмы полного внутреннего отражения (рис. 2, в) или комбинацию этих элементов (рис. 2, г).

У

Рис.2

«Оптические резонаторы»

словиярезонанса в оптическом резонаторе в общих чертах ничем не отличаются от подобных условий в других резонансных системах. Стоячая волна образуется в резонаторе при условии, что на его длине L укладывается целое число полуволн. Таким образом, резонансные длины волн равны: _n=2L\n , где: n = 1, 2, 3.

Для получения резонанса необходимо, чтобы расстояние L между отражающими элементами было равно целому числу длины волны генерируемого излучения. Следовательно, для резонансных частот можно записать: _n=c*n\2L ,где: с -скорость света. Расстояние между соседними резонансными частотами равно: =c\2L

О

Рис.2 Резонансные частоты оптического резонатора

птическийрезонатор обладает собственными потерями за счет дифракции света, неидеального отражения зеркал и др. Поэтому его полоса имеет конечную ширину _р (рис. 2). Ее величина равна: _р=\Q, где:  - резонансная частота, а Q – добротность резонатора.

Q = 2L\, где: - коэффициент суммарных потерь в резонаторе.

Газовые лазеры

Газовые лазеры ─ оптические квантовые генераторы (ОКГ), в которых активной средой является газ или смесь газов, состоящая из атомов, ионов или молекул (Криптон (Kr), Аргон (Ar), Гелий (He), Неон (Ne) и т.д.).

В зависимости от того, состояния каких частиц используют для получения инверсии населенностей, различают атомные, ионные и молекулярные лазеры. Рассмотрим газовые лазеры на примере He-Ne лазера.