Оптический квантовый генератор(лазер)

Цель работы-изучить теоретически принцип действия ОКГ,свойства его излучения,экспериментально определить характеристики излучения лазера

Теоретическая часть

Усиление света с веществом

Припрохождение света через вещество его интенсивность уменьшается за счт поглощения световой энергии в соответствии с законом Бугера:

где - интенсивности светового потока на входе и выходе из вещества соответственно,a-линейный коэффициент поглощения,L-толщина слоя

Двухуровневая энергетическая модель атома.

Все атомы вещества находятся в одном из двух энергетических состояний

1-основной уровень

2-атом находится в возбужденном состоянии

Энергия кванта удовлетворяет соотношению:

Где h-постоянная планка,v-частота фотона,Е1 и Е2- энергии атома в 2 уровнях.

Число атомов на энергетическом определяется распределением Больцмана

Где N0-число атомов вещества в единице обьема,Nj-число атомов вещества в единице обьема,k-постоянная Больцмана,T-температура вещества,Ei-энергия атома в Iтом состоянии

Коэффициент поглощения света α для двухуровневой системы:

Где N1 и N2 населенности 1 и 2 уровней, – cкорость распространения света в данной среде.

Обычно в веществе большая часть атомов находится в невозбужденном состоянии 1,поэтому населенность уровня 1 выше населенности уровня 2.

Вещество, в котором число возбужденных атомов превышает число невозбужденных атомов , называется инверсным.

Трехуровневая энергетическая модель атома.

1 Энергетический уровень является основным, уровень 3 – долгоживущий, 2- короткоживущий

Если на инвертированное вещество подать световой поток на частоте, соответствующий переходу между уровнями 2 и 3

То возможны 2 процесса: 2 в 3 и 3 в 2,число актов излучения превышает число актов поглощения .В результате происходит усиление света веществом.

Для усиления света необходимо:

-подобрать вещество с определенной энергетической структурой атомов

-инвертировать вещество

-подать на вещество световой поток на частоте, данной инверсной системе

Генерации света веществом ,принцип действия лазера

Способ инвертирования вещества на примере He-Ne лазера

Разность энергий E2-E1 для газа Hecовпадает с разностью энергий Е3-Е1 для газа Ne

Поэтому возможна резонансная передача энергии от атомов Heк атомам Neпри их столкновении

Увеличение населенности уровня Е3 происходит за счет следующих процессов

1)возбуждение атомов Ne при их столкновении со свободными электронами

2)возбуждение атомов Heс последующей резонансной передачей энергии атомам Ne при их столкновении

Устройство и принцип действия лазера

Типы лазеров

Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах

Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры

Жидкостные лазеры.

Жидкостный лазер - это лазер, в котором рабочим телом является жидкость.

Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однако с точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств. Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. С этими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе.

Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.

Свойства лазерного излучения

Монохроматичность (дословно - одноцветность) - излучение одной определенной частоты или длины волны. Более корректно - излучение с достаточно малой шириной спектра.

Поляризация - симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля (Е) совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, то волна называется поляризованной. Если изменения происходят хаотично (при распространении электромагнитных волн в анизотропных средах, отражении, преломлении, рассеянии и др.), то волна является неполяризованной

Направленность - следствие когерентности лазерного излучения, когда фотоны обладают одним направлением распространения. У полупроводниковых инжекционных лазеров излучение расходящееся (и достаточно сильно!), что, однако, не мешает называть их лазерами. Параллельный световой луч называют коллимированным..

Высокая спектральная плотность показывает какое количество энергии излучения приходится на единицу ширины спектра: