Принцип действия лазера.
Как уже отмечалось, кроме случайных переходов электронов в атоме с одной орбиты на другую, существуют еще и вынужденные переходы, происходящие под действием внешнего переменного поля. В этом случае фаза и направление световых колебаний жестко связываются с аналогичными параметрами вынуждающего излучения. Если в качестве та-кого излучения можно бы было использовать один или несколько квантов, то возникающее вторичное излучение носило бы когерентный характер. Для достижения этого необходимо, чтобы один и тот же квант вынуждающего излучения инициировал излучение большого количества возбужденных атомов, которые ждали бы такого внешнего воздействия, т.е.их время жизни в возбужденном состоянии было бы значительно больше, чем у обычных атомов.Это значит, что атомы, как принято говорить, должны находится вметастабильном состоянии.
Такое метастабильное состояние обычно получается в атомах примеси, находящихся в окружении "чужих" атомов. Причины такой метастабильности суть прямое следствие квантовомеханических расчетов, которые в нашем курсе не проводятся. Длительность пре-бывания атома в метастабильном состоянии в несколько тысяч раз превышает их время жизни в обычном возбужденном состоянии. Для того, чтобы процессы излучения превалировали над процессами поглощения, требуется создатьинверсию заселенности атомных уровней, т.е.добиться того, чтобы число атомов с энергией Е2 было больше.чем число атомов с энергией е1 (Е2 >E1). Такая инверсионная заселенность достигается с помощью внешнего воздействия: это либо сильный некогерентный свет, как в рубиновом лазере, либо газовый разряд - в газовых лазерах, где энергия передается путем ионизации при столк-новениях. Схема получения когерентного излучения в газовом лазере, работающего на сме-
Рис.62. Схема действия гелиево-неонового лазера. | си гелия и неона показана на рис.62. Смесь гелия и неона помещена в газоразрядную трубку. Атомы гелия испытывают возбуж-дения в газовом разряде и переходят в мета- стабильное состояние. При их столкнове-ниях с атомами неона, последние также переходят в возбужденное метастабильное состояние. Трубка помещена между двумя плоскими параллельными зеркалами так, что случайно излученный квант многократно отражается от зеркал и проходит через всю трубку по ее длине. Такой квант могут излучать лишь атомы неона. Проходя мимо метастабильно возбужденных атомов неона, |
этот квант вызывает у них вынужденное излучение. Это когерентное излучение, в свою очередь, многократно отражаясь от зеркал, вызывает новые вынужденные переходы и т. д. Процесс развивается лавинообразно.Для того, чтобы получившийся когерентный свет мог выйти наружу, одно из зеркал делается полупрозрачным. Для лучшей фокусировки луча зеркала делаются немного вогнутыми. Кроме того, для улучшения условий возбуждения зеркала размещаются так, чтобы между ними укладывалось целое число световых волн. Когерентный свет образуется при переходе с уровня Е2 на уровень E1 . Накопления атомов в состоянии с е1 не происходит, т. к. вступает в действие механизм передачи энергии от этих атомов стенкам труб-ки путем упругих столкновении, если диаметр трубки не слишком велик. Торцевые стенки трубки имеют важную конструктивную особенность. Если сделать их перпендикулярными лучу, то при каждом прохождении луча света на границе раздела теряется примерно 8-10% интенсивности падающего света. При многократном про-хождении мощность потерь во много раз может превысить мощность выходящего луча.
Рис.63. Конструкция выходных окон лазе- ра. | Чтобы этого не происходило, торцевые сто-роны трубки делаются наклонными так , что угол наклона (см. рис.63) равен углу Брюс-тера. Как мы знаем, при падении света под углом Брюстера на прозрачную границу в отраженном свете полностью отсутствует поляризация, лежащая в плоскости падения. Другими словами, это значит, что поляриза- |
ция в плоскости падения целиком проходит через границу раздела вакуум - диэлектрик.
Лазеры ( название состоит из первых букв английского light amplification by stimulated emission of radiation) находят очень широкое применение в современной науке и технике. Их применяют при изготовлении деталей современной электроники, для сварки тканей в медицине, термообработке деталей в машиностроении, передаче информации и т.п. С лазерами связываются определенные надежды в получении управляемой реакции ядерного синтеза.
Дата добавления: 2019-10-16; просмотров: 347;