Сведения из теории. В данной работе мы рассмотрим базовые принципы работы лазера

В данной работе мы рассмотрим базовые принципы работы лазера. Слово “Лазер” является аббревиатурой слов английского выражения “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – усиление света вынужденным излучением.

Для понимания работы лазера необходимо рассмотреть основные принципы взаимодействия излучения с веществом.

Оптическое усиление

Системы атомов, ионов и молекул могут иметь только дискретные энергетические состояния. Переход с одного энергетического уровня на другой сопровождается излучением или поглощением фотона (Рис.1). Длина волны поглощённого или излученного кванта определяется соотношением Бора.

Рис. 1. Переход с одного энергетического уровня на другой

Длина волны поглощённого или излученного кванта определяется соотношением Бора.

(1)

Где E ₂ и E ₁ - два дискретных уровня энергии, ν₂₁ – частота и h = 6,6 _* 10^-34 Дж с – постоянная Планка. Состояние, при котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее устойчива – когда её внутренняя энергия минимальна, т.е. когда нижние энергетические уровни более заселены, чем верхние. Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном состоянии квантовая система может только поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние. В лазерах это достигается использованием внешнего источника накачки, который переводит электроны с нижнего энергетического уровня на верхний. Этим достигается инверсия населённости. Электромагнитная волна на частоте ν₂₁, падающая на инвертированное лазерное вещество (лазерный активный элемент), будет усиливаться, потому что падающие фотоны переводят электроны с верхнего уровня на нижний с излучением дополнительных фотонов. В результате, энергия, взятая из лазерного вещества, добавляется к энергии падающей на него электромагнитной волны. Так создаётся стимулированное излучение.

Иначе говоря, когда лазерное вещество возбуждается и количество атомов (или молекул) на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем, лазерное вещество становится способным усиливать падающее на него излучение, соответствующей частоты. Отсюда и произошла аббревиатура “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – усиление света вынужденным излучением.

Из квантовой механики, описывающей взаимодействие излучения с веществом, следует, что стимулированное излучение имеет абсолютно те же параметры, что и стимулирующее (падающее на вещество) излучение: направление, поляризацию, фазу и спектр. Этот факт и определяет экстремально высокую степень когерентности лазерного излучения.

Многие свойства лазера могут быть описаны в терминах поглощения и испускания, когда атомная (или молекулярная) система взаимодействует с веществом. М. Планк описал спектральное распределение термального излучения. А. Эйнштейн, комбинируя закон М. Планка и статистику Ш. Бозе, сформулировал концепцию стимулированного излучения, создав тем самым теорию, необходимую для описания принципа работы лазера.

Статистика Больцмана

В соответствии с основными принципами статистической механики, когда большое количество одинаковых атомов находятся в равновесии при температуре Т градусов, относительная населённость двух энергетических уровней Е ₁ и Е ₂ (рис. 2) определяется отношением Больцмана (2)

Рис. 2. Два энергетических уровня с населённостью N ₁, N ₂ и вырождением g1 и g2.

(2)

где N ₁, N ₂ – это число атомов на энергетических уровнях Е ₁ и Е ₂, соответственно. Из уравнения Е ₂ – Е ₁ = h n для комнатной температуры (T = 300 K) n = 6 x 1012 Гц, что соответствует длине волны l = 50 мкм – дальний инфракрасный спектральный диапазон.

При температуре абсолютного нуля, статистика Больцмана демонстрирует, что все атомы (ионы, молекулы) будут находиться на нижнем энергетическом уровне. При любой другой температуре уровень с меньшей энергией будет заселён больше, чем уровень с большей энергией. То есть N ₂ / N ₁ всегда меньше 1 для Е ₂ > Е ₁ и T > 0. Это означает, что оптическое усиление не возможно при температурном равновесии.

Коэффициенты Эйнштейна.

Основное состояние квантовой системы - состояние, при котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее устойчива благодаря тому, что ее внутренняя энергия минимальна. Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном состоянии квантовая система может только поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние.

Скорость перехода 1 - 2 и вероятность поглощения W₁₂ связаны уравнением:

d N ₁ /d t = – W₁₂ N ₁ (3)

где N ₁ – число атомов в единице объема, которые находятся на уровне 1. Можно записать

W₁₂ = B ₁₂ r (n) (4)

где r (n) – спектральная плотность энергии в падающей волне, а B ₁₂ – коэффициент Эйнштейна или сечение поглощения.

Поглощение и усиление.

Рассмотрим связь между двумя процессами (поглощением и усилением) очень важными для создания лазерной генерации. Пусть плоская электромагнитная волна с плотностью потока фотонов F = r (n) проходит через вещество толщиной d z (Рис. 3).

Рис. 3. Прохождение излучения через вещество.

Вещество имеет два энергетических уровня с населённостью нижнего уровня N ₁, а верхнего N ₂. При этом B ₁₂ = B ₂₁ = s – сечение вынужденного излучения. Тогда изменение плотности потока фотонов определяется уравнением (5):

(5)

Если d F < 0, то происходит поглощение излучения в веществе, а если d F > 0, то вещество усиливает проходящее излучение.

Инверсная населённость

В соответствии с распределением Больцмана (2) в ансамбле атомов, находящемся в тепловом равновесии, разница населённостей двух уровней N ₂ – N ₁ всегда положительна. А это, в соответствии с уравнением (3), означает, что падающее излучение будет поглощаться (см. рис. 4-а)

Рис. 4. Населённость двухуровневой системы атомов. а – нормальная, в – инвертированная.

Предположим, что возможна временная ситуация, когда на верхнем уровне находится больше атомов, чем на нижнем. Т. е. разница населённостей двух уровней N₂ – N₁ становится положительной. В этом случае падающее излучение стимулирует вынужденное излучение, т. е. падающий сигнал усиливается. Условием, необходимым для усиления является N₂ > N₁ и иллюстрируется рисунком 4-б.

Вынужденное поглощение и излучение всегда происходят практически одновременно. В обычном состоянии, когда число атомов на верхнем уровне меньше, чем на нижнем, происходит процесс поглощения. Когда число атомов на обоих уровнях одинаково, то число излучений становиться равным числу поглощений и вещество является прозрачным для падающего излучения. По мере того, как населённость верхнего уровня становится больше нижнего, излучательный процесс увеличивается. Для создания инверсной населённости необходимы специальные источники энергии, которые называются в лазерной технике источниками накачки.

Принципы лазерной генерации

На рис. 5. представлена принципиальная схема устройства лазера.

Рис. 5. Принципиальная схема лазера состоящего из:

· Активной среды длиной L

· Источника накачки, например, импульсной лампы.

· Двух зеркал с коэффициентами отражения R1 и R2, образующими резонатор типа интерферометра Фабри-Перо, и создающими обратную связь.

Условия генерации такого лазера могут быть представлены в следующем виде

(6)

Для создания генерации такого лазера необходимо создать три условия:

1. наличие активной среды с инверсной населенностью

2. присутствие обратной связи

3. превышение усиления над потерями

Лазерная генерация начнется тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем, усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно

exp [2 s (N₂ – N₁) L ] (7)

Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия

R ₁ R ₂exp [2 s (N ₂ – N ₁) L ] = 1 (8)

Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к критической. Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером.

Методы создания инверсной населённости

До сих пор мы рассматривали гипотетические двухуровневые системы. В реальных лазерных системах существует большое число энергетических уровней с комплексом процессов возбуждения и каскадными релаксационными процессами, охватывающими многие уровни. Точное описание лазерной генерации в конкретном активном веществе возможно только с учётом полной многоуровневой энергетической диаграммы. Однако, для понимания главных принципов лазерной генерации мы рассмотрим два основных случая: 1) трёхуровневую систему и 2) четырёхуровневую систему

Трёхуровневая система.

На рис. 6. изображена диаграмма, демонстрирующая работу, оптически накачиваемого, трёхуровневого лазера (например, рубинового). В исходном состоянии все атомы в лазерном веществе находятся на нижнем уровне 1. Накачка переводит атомы с нижнего уровня на широкополосный уровень 3. Этот широкополосный уровень позволяет использовать в качестве накачки широкополосный источник, например, импульсную лампу. Большинство возбуждённых атомов быстро переходят на средний уровень 2 без излучения. Но окончательно электроны возвращаются на нижний уровень 1 с излучением фотона. Этот переход и является лазерным переходом. Если интенсивность накачки меньше порога лазерной генерации, то излучение, сопровождающее переход атомов с уровня 2 на уровень 1, спонтанно. Когда интенсивность накачки превышает порог генерации, то излучение становится стимулированным. Это происходит, когда населённость уровня 2 превосходит населённость уровня 1. Этого можно добиться если время жизни на уровне 2 будет больше, чем время релаксации с уровня 3 на уровень 2, т. е:

τ ₂₁ > τ ₃₂ (8)

Рис. 6. Энергетические уровни трёхуровневого лазера

Число атомов N ₃ на уровне Е ₃ мало по сравнению с числом атомов на других уровнях, т. е.

(9)

Основная идея трёхуровневой системы состоит в том, что атомы эффективно накачиваются с уровня 1 на метастабильный уровень 2, быстро проходя уровень 3. И в этом случае система представляется как двухуровневая. Для генерации необходимо, чтобы населённость уровня 2 была больше, чем населённость уровня 1. Т. е. в трёхуровневой системе для лазерной генерации необходимо, чтобы больше, чем половина атомов с нижнего энергетического уровня 1 была переведена на метастабильный уровень 2.

Четырёхуровневая система

Четырёхуровневая лазерная система, по которой работают большинство лазеров на стекле и кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов, представлена на рис. 7.

Рис. 7. Энергетические уровни четырёхуровневого лазера.

Следует отметить, что в трёхуровневой системе лазерная генерация происходит между возбуждённым уровнем 2 и нижним уровнем 1, который всегда заселён. А в четырёхуровневой системе лазерный переход осуществляется на уровень 1, который находится выше нижнего уровня и который может быть совсем не заселён или заселён, но значительно меньше, чем самый нижний уровень. А это означает, что создать инверсную населённость в четырёхуровневой системе значительно легче, чем в трёхуровневой. Т. е. порог генерации четырёхуровневой лазерной системе будет значительно ниже, чем в трёхуровневой.

Внутренняя плотность и потоки фотонов в лазерной среде

Выходной поток представляет собой излучение, вышедшее через выходное зеркало М_s с пропусканием Т_s. Чем меньше величина Т_s, тем больше отражение (R_s ≈ 1 - Т_s) и меньше лазерный порог. С другой стороны, если пропускание равно нулю, то свет вообще не может выйти из резонатора. Таким образом, с учетом этих двух обстоятельств, существует оптимальная величина отражения. Выходной поток из лазера Ф _ехt определяется, как половина от внутреннего потока Ф, умноженную на пропускание зеркала:

(10)

Здесь поток Ф относится к фотонам, распространяющимся в обоих направлениях вдоль резонатора, L – протяженность лазерной среды, R_e и R_s – коэффициенты отражения входного и выходного зеркал, γ ₀ – коэффициент усиления в условиях слабого потока или холодного резонатора, α _p – коэффициент ослабления, α _t – полный коэффициент ослабления:

(11)

Величина Ф_sat, фигурирующая в этих формулах называется потоком насыщения, и может быть выражена через сечение перехода σ _ор и постоянную времени оптического насыщения τ _sat:

(12)

Так же следует упомянуть, что сечение перехода σ _ор связано с коэффициентом поглощения α _p через разность заселенностей:

(13)

Дата добавления: 2015-10-26