- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
11.2.2. Химическая накачка
Инверсная населенность может быть создана за счет неравновесного распределения среди продуктов химической реакции, происходящей в газовой среде непосредственно в объеме лазерного резонатора. Прибор, работающий по такому принципу, называли химическим лазером.
Энергия, высвобождающаяся при экзотермической реакции через перестраиваемую в ходе реакции химическую связь, локализуется в виде колебательной энергии молекул. В газовой фазе релаксация верхних возбужденных колебательных состояний может происходить медленнее, чем нижних. Это и приводит к возникновению инверсной населенности. Такая ситуация возникает в реакции:
F + H2 HF* + H.
В этой реакции 70% выделившейся энергии преобразуется в колебательную энергию, при этом относительные населенности трех нижних колебательных состояний составляют 0,31, 1,0, 0,48. Длина волны генерации – 2,7 мкм. Аналогичная ситуация возникает во всех реакциях образования галогенводородов: F + D2 ( = 4,3 мкм) H2 + Cl2, ( = 3,7 мкм) H2 + Br2 ( = 4,2 мкм) и т.д.
Колебательная инверсия, возникающая в акте перестройки внутримолекулярной связи, может существовать только в течение некоторого определенного времени. Установление термодинамического равновесия в системе, возникающего в результате обмена энергией при столкновениях приводит к постепенному исчезновению инверсии. При колебательно-поступательной релаксации, для установления равновесия требуется много сотен или тысяч газокинетических столкновений.
После достижения инверсии все свойства химических лазеров совпадают со свойствами газоразрядных молекулярных лазеров.
Интересно, что энергия кванта DF – лазера совпадает с энергией колебания 0001 молекулы СО2. Поэтому химически возбужденный DF может использоваться для создания химического СО2 – лазера путем резонансной передачи энергии.
Рис. 11. Схема химического DF – CO2 лазера непрерывного действия.
В основе работы лазера, показанного на рис. 11 положена реакция дейтерия с фтором с последующей передачей возбуждения на СО2. Для поджига химической реакции в качестве вспомогательного реагента применялась окись азота, существующего при комнатной температуре в виде устойчивого радикала NO. При смешении этого радикала с молекулой фтора образуется атомарный фтор, который и служит активным центром, инициирующим цепь химических реакций, приводящих к возбуждению СО2:
NO + F2 NOF + F; F + D2 DF* + D; D + F2 DF* + F;
DF* + CO2(0000) DF + CO2 (0001).
Особенности этого процесса обусловливают определенную последовательность смешения реагентов. Вначале должны быть смешаны NO и F2. Последующий ввод в смесь СО2 и D2 обеспечивает весь необходимый набор компонентов для получения лазерной генерации.
Для получения непрерывного режима работы химического лазера необходимо обеспечить достаточно быструю прокачку продуктов реакции через объем лазерного резонатора. При низком давлении реагентов (~ 10-3 мм рт.ст.) и поперечном размере резонатора в несколько сантиметров скорость прокачки должна составлять ~ 1 м/с. При давлении в несколько мм. рт. ст. необходимые скорости прокачки возрастают до звуковых скоростей 104 .. 105 м/с.
Химический СО2 лазер при оптимальном составе подаваемых в зону реакции реагентов генерирует общую непрерывную мощность до 1 кВт. Удельная мощность – 50 Вт/(г/с). Недостатком такого лазера является высокая токсичность отработанных газов и взрывоопасность используемых смесей газов.