БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
В«Фізичні основи роботи лазера. Механізм збудження В»
МІНСЬК, 2008
Фізичні основи роботи лазера
Процес лазерного випромінювання
Процес вимушеного випускання є основою лазерного посилення. Щоб використовувати цей процес, необхідно електрон, наприклад, в атомі (іоні, молекулі, твердому тілі) перевести з більш низького на більш високий енергетичний рівень. Щоб практично реалізувати процес лазерного посилення, вказаний стан необхідно забезпечити не тільки в окремого атома, але і в цілого ансамблю атомів. Число атомів, що займають більш високий верхній лазерний рівень має бути завжди більше заселеності низької лазерного рівня. Це явище називають інверсією населеності.
Які існують можливості отримання такої інверсії населеності? Нагрівання не підходить, так як за законом випромінювання Планка (рис. 1.) високі рівні завжди заселені менше, ніж низькі.
Рис. 1
За законом випромінювання Планка при нагріванні відношення n 2 /n 1 чисел населеності прагне до 1. Інверсії населеності досягти не можна.
Опромінення світлом (Оптична накачування) системи тільки з двома енергетичними рівнями навіть при значної інтенсивності накачування дає однакову населеність обох рівнів. Причина полягає в тому, що більша інтенсивність опромінення крім поглинання, тобто заселення верхнього енергетичного рівня, призводить також до багатьом емісій, тобто до зниження населеності верхнього рівня. Таким чином, з допомогою оптичного накачування дворівневій системі не можна зробити інверсію населеності. По-іншому йде справа в системах з трьома і великим числом рівнів.
Система з трьома рівнями
Якщо в системі з трьома енергетичними рівнями (рис. 2.) проводиться закачування з рівня 1 на рівень 3, то при спонтанної емісії, тобто розпаді верхнього рівня, може бути заселений рівень 2. Якщо це довгоживучий рівень, то з часом величина його населеності збільшується.
Рис. 2. В трирівневої лазерній системі при дуже інтенсивної накачуванні з рівня 1 на рівень 3 можна отримати на рівні 2 більш високу заселеність, ніж на рівні 1.
При дуже великий накачуванні населеність цього другого рівні може бути, принаймні, на короткий час, вище, ніж населеність нижнього лазерного рівня (основне стан).
Однак коли лазер почне працювати, інверсія населеності швидко зменшиться. Потужність накачування тоді виявляється недостатньою, щоб постійно підтримувати інверсію населеності, так що лазери з трьома рівнями практично завжди є імпульсними лазерами.
Лазер з чотирма рівнями.
Якщо систему з трьома рівнями розширити ще на один рівень 2 'між рівнем 1 і рівнем 2 (рис. 3), то можна уникнути проблем трирівневого лазера відносно короткою за часом інверсії населеності, за умови, що рівень 2 'є дуже короткоживущим. Якщо лазерний перехід здійснюється з рівня 2 на рівень 2 ', то рівень 2 'при роботі лазера на увазі його короткого існування постійно спустошується на основний рівень. У цій конфігурації навіть при незначній потужності накачування можна постійно зберігати інверсію заселеності між рівнями 2 і 2 '. Лазери з 4-ма рівнями можуть тому працювати в безперервному режимі.
Рис. 3. У лазерної системі з 4-ма рівнями можна забезпечити навіть при слабкій накачуванні інверсію населеності на довгоживучих рівні 2 по відношенню до короткоживучих рівню 2 '.
Слід звернути увагу на те, щоб при всіх механізмах збудження зміни заселеності окремих рівнів відбувалися по колу, тобто закінчувалися на основному рівні, що дозволяє вступити в новий цикл накачування. У багатьох випадках цей цикл накачування закінчується, принаймні, частково, на так званих В«Метастабільних триплетних рівняхВ» (рис. 4). Вони практично не розпадаються на основний стан, так що атоми з часом повністю накачуються в ці метастабільні стану і згодом не можуть використовуватися в циклі лазерного накачування, таким чином лазерна генерація припиняється. Цю проблему можна частково вирішити, якщо лазерну середу постійно міняти, наприклад, за допомогою прокачування. Інший спосіб - додавання так званого буферного газу. Тривалість існування метастабільного рівня в цьому випадку скорочується через зіткнень атомів і молекул, що беруть участь в лазерної генерації, з атомами або молекулами буферного газу.
Рис. 4. Якщо нижній лазерний рівень частково спустошується на метастабільний тріплетний рівень, то через деякий час генерація лазерного випромінювання припиняється.
Лазерні активні середовища
В якості лазерної середовища можуть застосовуватися всі матеріали, у яких можна забезпечити інверсію населеності. Це можливо у наступних матеріалів:
а) вільні атоми, іони, молекули, іони молекул в газах або парах;
б) молекули барвників, розчинені в рідинах;
в) атоми, іони, вбудовані в тверде тіло;
г) леговані напівпровідники;
д) вільні електрони.
В одному тільки елементі неоні спостерігається близько 200 різних лазерних переходів.
По виду лазерної активного середовища розрізняють газові, рідинні, напівпровідникові та твердотілі лазери. Як курйозу слід зазначити, що людський подих, складається з двоокису вуглецю, азоту й водяних ларів є підходящою активним середовищем для слабкого СО 2 - лазера, а деякі сорти джина генерували вже лазерне випромінювання, оскільки вони містять достатню кількість хініну з блакитною флуоресценцією.
Відомі лінії лазерної генерації від ультрафіолетової області спектра (100 нм) до міліметрових довжин хвиль в дальньому ІЧ-діапазоні. Лазери плавно переходять там в мазери.
Інтенсивно ведуться дослідження в області лазерів в діапазоні рентгенівських хвиль. Але практичне значення набули тільки два - три десятки типів лазерів.
Медичне застосування обмежується зараз CO 2 -лазерами, лазерами на іонах аргону і криптону, Nd: YAG - лазерами безперервного та імпульсного режиму, лазерами на барвниках безперервного і імпульсного режиму. He-Ne-лазерами і GaAs-лазерами. Експериментальні лазери, Nd: YAG-лазери з подвоєнням частоти, Er: YAG- лазери та лазери на парах металів також все ширше застосовуються в медицині.
Малюнок 5. Типи лазерів, найбільш часто застосовуються в медицині.
Крім того, лазерні активні середовища можна розрізняти по тому, формують чи вони дискретні лазерні лінії, тобто тільки в дуже вузькому певному інтервалі довжин хвиль, або випромінюють безперервно в широкій області довжин хвиль.
Вільні атоми і іони мають через їх чітко визначених енергетичних рівнів дискретні лазерні лінії. Багато твердотільні лазери випромінюють також на дискретних лініях (Рубінові лазери, Nd: YAG-лазери).
Були розроблені, однак, також твердотільні лазери (лазери на центрах забарвлення, лазери на Олександрію, на алмазі), довжини хвиль випромінювання у яких безперервно можуть змінюватися у великій спектральній області. Це стосується особливо лазерів на барвниках, в яких ця техніка прогресувала в найбільшою мірою. Лазери на напівпровідниках зважаючи зонної структури енергетичних рівнів напівпровідників також не мають дискретних чітких лазерних ліній генерації.
Механізм збудження
Як вже було згадано, генерація лазерного випромінювання може бути досягнута, якщо мається інверсія населеності двох енергетичних рівнів. Щоб отримати цю інверсію населеності, в лазерну середу повинна бути введена енергія у відповідній формі. Цього можна домогтися різним чином, незалежно від специфічного лазерного процесу. Тим не менш той чи інший метод збудження слід вибирати і оптимізувати спеці...
