Описание на активната среда на неоновата лазерна хелий. Лекция тринадесети. Газови лазери. Хелий неонов лазер. Средната в газовите лазери има няколко прекрасни свойства. На първо място, само газовите среди могат да бъдат прозрачни в широк спектрален обхват.

Хелий-неонов лазер - заедно с диод или полупроводници - се отнася до броя на най-често използваните и най-приемливи лазери за видимия регион на спектъра. Капацитетът на лазерните системи от този вид, предназначени главно за търговски цели, е в диапазона от 1 MW до няколко десетки MW. Особено популярен не е толкова мощен той-ne-ne-лазери от около 1 mw, който се използва главно като кавички, както и за решаване на други задачи в сферата на измервателното оборудване. При инфрачервени и червени диапазони хелий-неонов лазер е все по-пълен с диод лазер. He-Lasers са способни, заедно с червени линии, също излъчват оранжево, жълто и зелено, което се постига поради съответните селективни огледала.

Схема на енергийните нива

Енергийните нива на хелий и нео-неомазатори са най-важни за функцията HE-NE-LASER. 1. Лазерни преходи се извършват в неоновия атом и най-интензивните линии се получават в резултат на преходи с дължини на вълните 633, 1153 и 3391 (виж таблица 1).

Електронната конфигурация на неоната в основното състояние изглежда така: 1S22S22P6 и първата обвивка (n \u003d 1) и втората обвивка (п \u003d 2) съответно са пълни с два и осем електрона. По-високи състояния на фиг. 1 възникват в резултат на факта, че има 1S22S22P5-обвивка, а светещ (оптичен) електрон е развълнуван според схемата: 3S, 4s, 5s, ..., Sp, 4p, ... и т.н. Ето защо е за едно електронно състояние, което комуникира с черупката. В схемата LS (Russell - Sounters) за енергийни нива Неонът е обозначен с едно електронно състояние (например 5s), както и полученият пълен орбитален момент L (\u003d s, p, d ...). В нотацията на S, P, D, ... Долният индекс показва пълния орбитален момент J, и горната част е 2S + 1 multility, например, 5S1P1. Често се използва чисто феноменологично обозначение за PAPEECH (фиг. 1). В същото време резултатът от бързината на възбудените електронни държави се провежда от 2 до 5 (за S-държави) и от 1 до 10 (за P-States).

Фиг. 1. Схема на енергийните нива на He-Laser. Неоните са обозначени с Pasheny, т.е.: 3S2, 3S3, 3S4, 3S5 и др.

Таблица 1. Обозначения на преходи на интензивни HE-NE-лазерни линии

Възбуждане

Активната среда на неоновата лазерна хелий е газова смес, към която се доставя необходимата енергия в електрическото разреждане. Горните лазерни нива (2s и 2p преминаха) селективно населяват на базата на сблъсъци с метастотични хелий атоми (23S1, 21S0). С тези сблъсъци се наблюдава не само обмен на кинетична енергия, но и прехвърлянето на енергията на възбудените хелий атоми атоми на неоната. Този процес се нарича сблъсък от втория вид:

Не * + ne-\u003e не + ne * + δe, (1)

където звездичката (*) символизира точно възбуденото състояние. Разликата на енергиите е в случай на възбуждане на 2S-ниво: & Deltae \u003d 0.05 eV. При сблъсък съществуващата разлика се превръща в кинетична енергия, която след това се разпределя като топлина. За нивото на 3-те години се извършват идентични връзки. Такова резонансно предаване на енергия от хелий до неонова е основният процес на помпени при създаването на инверсия на популациите. В същото време, дълго време на метастазното състояние не влияе благоприятно на селективността на горния лазерен избор.

Увеличаването на He-Atoms се основава на сблъсък на електрони - директно или чрез допълнителни каскадни преходи от нивата на надлежащите. Благодарение на дълготрайните метастозни състояния, плътността на хелий атомите в тези състояния е много голяма. Горната лазерна нива 2S и 3S може да - като се вземат предвид правилата за подбор на електрически доплерови преходи - да се движат само към подлежащите P-нива. За успешно генериране на лазерно излъчване е изключително важно живота на S-States (горното лазерно ниво) \u003d приблизително 100 hc, надвишава живота на P-състоянията (ниско лазерно ниво) \u003d 10 hc.

Дължина на вълните

След това разглеждаме най-важните лазерни преходи по-подробно с фиг. 1 и данни от таблица 1. Най-добре познатата линия в червената област на спектъра (0.63 цт) се дължи на преход 3S2 → 2P4. По-ниското ниво се разделя в резултат на спонтанно радиация в продължение на 10 ns на 1S ниво (фиг. 1). Последното е устойчиво на разцепване поради електрическо диполно лъчение, така че да се характеризира с дългогодишен естествен живот. Следователно, атомите са концентрирани в това състояние, което се оказва високо населено. В газовия разряд, атомите в такова състояние са изправени пред електрони, а след това се появяват 2p и 3s нива. В този случай инверсията на популациите се намалява, което ограничава лазерната мощност. Изпразването на LS състоянието се извършва в хелий-неонови лазери главно поради сблъсъци със стената на газостанционната тръба и следователно с увеличаване на диаметъра на тръбата, има намаление на усилването и a намаляване на ефективността. Следователно, на практика, диаметърът е ограничен до около 1 mm, което от своя страна води до ограничаване на изходната мощност на HE-LASERS от няколко десетки MW.

Участие в лазерния преход електронни конфигурации 2s, 3s, 2p и sr се разделят на многобройни подчинени. Това води например до по-нататъшни преходи във видимия район на спектъра, както може да се види от таблица 2. С всички видими He-Ne-лазерни линии, квантовата ефективност е около 10%, което не е толкова много. Разположението на нивата (фиг. 1) показва, че горните лазерни нива са разположени приблизително 20 eV над основното състояние. Енергията на червената лазерна радиация е само 2 eV.

Таблица 2. Вълна дължина на вълната λ, изходна мощност и ширина на линиите δ ƒ-ne-лазер (определяне на пътнически преходи)

Цвят	λ nm.	Преход (преминал)	Власт mW.	Δ ƒ MHTS.	Печалба % / M.
Инфрачервен	3 391	3S2 → 3p4.	> 10	280	10 000
Инфрачервен	1 523	2s2 → 2p1.	1	625
Инфрачервен	1 153	2S2 → 2P4.	1	825
червен	640	3S2 → 2p2.
червен	635	3S2 → 2p3.
червен	633	3S2 → 2P4.	> 10	1500	10
червен	629	3S2 → 2P5.
Оранжево	612	3S2 → 2P6.	1	1 550	1.7
Оранжево	604	3S2 → 2P7.
Жълт	594	3S2 → 2P8.	1	1 600	0.5
Жълт	543	3S2 → 2P10.	1	1 750	0.5

Радиацията в инфрачервения диапазон е около 1.157 микрона, възниква чрез преходи 2s → 2p. Същото се отнася и за донякъде по-слаба линия от около 1.512 микрона. И двете инфрачервени линии се използват в търговски лазери.

Характерна характеристика на линията в IR диапазона при 3.391 микрона е висока печалба. В зоната на слабите сигнали, т.е. с еднократно преминаване на слаби светлинни сигнали, той е около 20 dB / m. Това съответства на лазерен коефициент на дължина от 1 метър. Горното лазерно ниво е същото като с добре познат червен преход (0.63 микрона). Висока амплификация, от една страна, причинена от изключително кратко време на живот на долното ниво на 3P. От друга страна, това се обяснява с относително голяма дължина на вълната и съответно, ниска радиационна честота. Обикновено съотношението на принудително и спонтанно излъчване Увеличение за ниски честоти. Амплификацията на слабите сигнала g обикновено е пропорционална на g ƒ2.

Без селективни елементи, излъчването на хелий-неоновия лазер би се случило на линията 3.39 цт, а не в червената област при 0.63 цт. Възбуждането на инфрачервената линия е затруднено или от селективното огледало на резонатора, или абсорбцията в прозорците на Brewster на газостанционната тръба. Благодарение на това, прагът на лазерно поколение може да се увеличи до нивото, достатъчно за радиация от 3,39 микрона, така че тук се появява само по-слаба червена линия.

Конструктивно изпълнение

Електроните, необходими за възбуждане, се образуват в газов разряд (фиг. 2), който може да се използва с напрежение от около 12 kV при токове от 5 до 10 mA. Типичната дължина на изхвърлянето е 10 см или повече, диаметърът на разтоварващите капиляри е около 1 mm и съответства на диаметъра на излъчения лазерен лъч. С увеличаване на газоразрядния диаметър на газостанционната тръба, коефициентът на ефективност се намалява, тъй като изисква сблъсъци с тръбна стена за изпразване на LS-нивото. За оптимална изходна мощност се използва пълно налягане (P) на пълнене: P · D \u003d 500 Pa · mm, където D е диаметърът на тръбата. Съотношението в сместа от него зависи от желаната линия на лазерно излъчване. За известната червена линия не сме: ne \u003d 5: l, и за инфрачервена линия около 1.15 μm - той: ne \u003d 10: L. Важен аспект също изглежда оптимизира плътността на тока. Ефективността на 633 nm линията е около 0,1%, тъй като процесът на възбуждане в този случай не е твърде ефективен. Срокът на експлоатация на неонови лазерен хелий е около 20 000 работни часа.

Фиг. 2. Конструктивен дизайн на HE-LASER за поляризирано излъчване в MW-RAM

Амплификацията при такива условия е на ниво g \u003d 0,1 m-1, така че е необходимо да се използват огледала с висока отражение. За да излезете от лазерен лъч само от едната страна, има частично предаване (полупрозрачно) огледало (например, с R \u003d 98%) и от другата страна - огледалото с възможно най-висока отражение (~ 100%). Укрепването на други видими преходи е значително по-малко (виж Таблица 2). За търговски цели тези редове успяха да се получат само в последните години Използване на огледала, отличаващи се с изключително малки загуби.

По-рано, хелий-неонов лазер, изходните прозорци на газостанционната тръба се фиксират с епоксидна смола и огледалата са монтирани навън. Това доведе до факта, че хелийът се разпръсква през лепило и лазерът падна до водна пара. Днес тези прозорци са прикрепени с директно подмладен метал със стъкло, което дава намаление на изтичането на хелий около 1 Pa на година. В случай на малки масови производствени лазери, огледалното покритие се прилага директно към изходните прозорци, което значително опростява целия дизайн.

Свойствата на лъча

За да изберете посоката на поляризация, газоразрядната лампа е снабдена с две косо, разположени прозорци или, както е показано на фиг. 2, релаторът се вмъква в резонатора. Отразяването на оптичната повърхност се обръща към нула, ако светлината падне под така наречения ъгъл на Brewster и поляризиран паралел на есенната равнина. По този начин радиацията с тази посока на поляризация без загуби преминава през прозореца на бреговете. В същото време, отразяването на компонента, поляризирано перпендикулярно на есенната равнина е достатъчно високо и потискано в лазера.

Коефициентът на поляризация (степен) (коефициент на мощност в посока на поляризация към мощността, перпендикулярна на тази посока) е 1000: 1 в конвенционални търговски системи. Когато лазерът работи без суета плочи с вътрешни огледала, се генерира неподвижно излъчване.

Лазерът обикновено генерира по напречен темпо-мода (нисък ред) и се образуват няколко надлъжни (аксиални) режима. Когато разстоянието между огледалата (дължината на лазерния резонатор) L \u003d 30 cm, интермодалният честотен интервал е Δ ƒ \u003d c / 2l \u003d 500 MHz. Централната честота е 4.7 × 1014 Hz. Тъй като печалбата на светлината може да се появи в диапазона Δ ƒ \u003d 1500 MHz (доплерова ширина), три различни честоти се излъчват при L \u003d 30CM: Δ ƒ / Δ ƒ \u003d 3. при използване на по-малко разстояние между огледалата (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.

Хелий-неонови лазери около 10 MW често се използват в интерферометрия или холография. Кохерентната дължина на подобни масови производствени лазери е от 20 до 30 см, което е достатъчно за холографията на малките предмети. По-значителни дължини на съгласуваност се получават, като се използват серийни честотни селективни елементи.

Когато оптичното разстояние се променя между огледалата, в резултат на термичен или друг ефект, настъпва аксиална еигенна честота на лазерния резонатор. С едночестотно генериране тук няма стабилна радиационна честота - тя е неконтролирана в диапазона от 1500 MHz ширина. С допълнително електронно регулиране, стабилизацията на честотата може да бъде постигната точно в центъра на линията (търговските системи имат стабилност на честотата в няколко MHz). В изследователски лаборатории е възможно понякога да се стабилизира хелий неонов лазер за диапазон по-малко от 1 Hz.

Чрез използване на подходящи огледала, различни линии от таблица 4.2 могат да бъдат развълнувани за генериране на лазерно излъчване. Най-често се среща видимата линия от около 633 nm с типични мощности на няколко миливати. След потискане на интензивната лазерна линия от порядъка на 633 nm чрез използването на селективни огледала или призми в резонатора, могат да се появят други линии във видимия диапазон (виж Таблица 2). Изходната мощност на тези линии обаче представлява само 10% от изходната сила на интензивната линия или дори по-малко.

Хелий-неонови търговски лазери се предлагат с различни дължини на вълните. В допълнение към тях все още има лазери, генериращи се на много линии и могат да излъчват вълни от комплекти от дължини в различни комбинации. В случай на регулируеми HE-NE-лазери се предлага, завъртане на призма, изберете желаната дължина на вълната.

Газният лазер е устройство, свързано с оптични квантови генератори.

Основният елемент на хелий-неонов непрекъснатия лазер е газоразрядна тръба. T. (Фигура 1), имащ светлоосен катод и анод А. Тръба, напълнена със смес от хелий ( Не) (частично налягане Не 1 mm Hg. st) и neon ( Не) (частично налягане Не 0.1 mm rt. st). Вътрешният диаметър на тръбата 1 ... 10 mm, дължина от няколко десетки сантиметра до 1.5 ... 3 m. Краищата на тръбата са затворени с равномерно паралелно стъкло или кварцов прозорец P 1 и P2, инсталирани в Ъгълът на брутелерът до оста. За линейно поляризирано излъчване с електрически вектор в равнината на падането, коефициентът на отразяване от тях е нула. Следователно, прозорците на Brewster осигуряват линейна поляризация на лазерната радиация и изключват енергийните загуби, когато светлината се размножава от активната зона към огледалата и обратно. Тръбата се поставя в резонатор, образуван по огледала в 1 и в 2 с многослойно диелектрично покритие. Такива огледала имат много висок коефициент на отразяване в работния спектрален интервал и практически не абсорбират светлина. Честотната лента на огледалото, през която лазерното излъчване е предимно, обикновено е 1 ... 2%, от друга - по-малко от 1%.

На електродите на тръбата се сервира напрежение 1 ... 2 kV. Когато катодът се брои и определеното напрежение в тръбата за пълнене, газовете могат да бъдат поддържани чрез електрическо разреждане. Светещ разтоварването създава условия за появата на инверсия на популациите в Неон. Типичен ток в газовия разряд - десетки милиампер.

Видимото излъчване на изхвърлянето дава неонова, но възбуждането на атомите, необходими за това, се извършва с помощта на хелий атоми. Опростена схематична картина на енергийните нива на атомите Не и Не Показване на фигура 2.

Поради въздействията с атомите на електроните Не отидете на възбуденото състояние (2 3 С. и 2 1. С.). Тези нива се метаеха с енергия от 19.82 и 20.61 eV, съответно. Забранен е спонтанният радиационен преход от тези нива до основното ниво съгласно правилата за избор, т.е. Това се случва с много малка вероятност.

Фигура 2.

Atom Life на ниво 2 1 С. и 2 3. С. В сравнение с времето на живота на обикновените развълнувани нива, толкова много атоми се натрупват на тези метастозни нива. Не. Но нива на неонова 3 С. и 2. С. Практически съвпада с метастови нива 2 1 С. и 2 3. С. хелий. Поради това, когато сблъсък на развълнувани атоми Не с атоми Невъзникват преходи на атоми Не В възбуденото състояние с резонансното предаване на енергията на хелий атомите атоми на неоната.

Процесът на възбуждане на атомите Не Снимки хоризонтални пунктирани стрелки (Фигура 2). В резултат на концентрацията на неонови атоми на ниво 3 С. и 2. С. Силно нарастване и има обратна популация на енергийните нива във връзка с ниво 2 R.. Тръбата създава активна среда, състояща се от атоми Некоито имат обратна популация на енергийните нива на електроните.

Спонтанното излъчване на индивидуалните развълнувани атоми води до разпространение в активната среда на фотоните, съответстващи на електронните преходи в неонови атоми от нива 3 С. на нива 2. Пс..

Под действието на електромагнитното поле, фотоните, разпространяващи се в разтоварването (първо спонтанно излъчвано от развълнуваните неонови атоми), се срещат кохерентното излъчване на други развълнувани неоМ, т.е. Активна среда запълване на тръбата на лазера. Масовото повишаване на този процес се осигурява от множеството преминаване на радиация между огледалата. В 1 I. В 2 резонатори, които водят до образуването на мощен индуциран поток от посочена кохерентна радиация на лазера. Минималната ъглова ширина на лазерния светлинен лъч се определя чрез дифракцията, свързана с ограничаването на напречното сечение на лъча, т.е. Само с вълновите свойства на светлината. Това е най-важното обстоятелство, което има лазерен източник от всеки друг източник на светлина.

4 Инструменти и аксесоари

1 газ лазер LG78.

2 Оптична пейка.

3 захранване.

4 Дифракционна решетка.

5 стъклени плочи с пръскан микрочасти-Цами.

6 екран с милиметра.

5 Работа с газ лазер

Активирайте превключвателя "Network". Превключвателят "Текуща настройка" е инсталиран в работната позиция от учител или лабораторен директор. Строго е забранено да го преведете на друга позиция.

Докато работеше с лазер, трябва да се помни това лазерно излъчване в контакт с директно лазерно излъчване .

Следователно, когато работите с лазер, светлината му се наблюдава след отражение на екрана с разсейваща повърхност.

6 Процедура за извършване на работа

Упражнение 1.

Измерване на дължината на вълната на лъчния лазер Сегара

дифракционна решетка

Посоката и пространствената кохерентност на радиацията на лазера позволява да се използва в редица измервания без предварително колимация.

Инсталацията за това упражнение включва лазер, режисьор с дифракционна мрежа, екран с милиметрова скала за наблюдение на дифракционния модел (Фигура 3).

Фигура 3.

Дифракционната решетка е поставена перпендикулярна на оста на светлинния лъч, оставяйки лазера. За това светлоблясъците, отразени от равнината на решетката, трябва да се извършват точно в средата на лазерния изходен прозорец, т.е. За да се постигне съвпадение на светлинния лъч, излизащ от лазера и отраженията от самолета на решетката.

Благодарение на монохроматичната лазерна радиация, има много неприятни дифракционни спектри с различни положителни и отрицателни поръчки на екрана. Тези спектри формират серия от червени ленти на екрана, повтарящи напречното сечение на първичната светлинна лъч, попадаща върху решетката.

Екранът е монтиран перпендикулярно на светлинния лъч и спектралните поръчки се поставят симетрично спрямо нулевите екрани.

Под разстоянието между дифракционния спектри и спектъра на нула, е необходимо да се разбере разстоянието между средата на наблюдаваните спектри (ивици).

Изчисляването на дължината на вълната се извършва по формулата

където д. - постоянна решетка (в нашия случай д. \u003d 0.01 mm);
- ъгъл на дифракция;

к -поръчка на спектър;

l - дължина на вълната на лазерно излъчване.

Фигура 4.

Ъгълът на дифракция се определя от съотношението

(2)

където - разстоянието между лявата и дясната височина на поръчката к.;

Л. - Разстояние от равнината на дифракционната решетка към равнината на екрана (Фигура 4).

Замествайки (2) в (1), ние получаваме

Процедурата за извършване на упражнения 1

1 Измерете разстоянието в спектъра на първия ( к.\u003d 1), второ ( к.\u003d 2) и третата ( к.\u003d 3) поръчва на различни разстояния на екрана от дифракционната решетка.

2 Резултати от измерването. Приложете към таблица 1.

3 Изчислете дължината на вълната, съответстваща на радиацията на лазера.

маса 1

Поръчката на спектъра к.	L, М.	Х. K, M.	л. АЗ СЪМ.	, M.	ДЛ. АЗ СЪМ.	, M.		DL, M.	E,%

Обработка на експериментални данни

1 Изчислете дължината на вълната за всяко измерване с формула (3).

2. Изчислете средната стойност, когато н. - броя на измерванията.

3 Изчислете абсолютните грешки на отделните измервания

5 Задайте стойността на надеждността А (с инструктиране на учителя).

6 Определете на учебната маса и изчислете границите на доверителния интервал

7 Изчислете относителната стойност на стойността на установената стойност l в изчисленията, необходими в следващото упражнение.

Упражнение 2.

FRAUNONGFEROV дифракционна лазерна радиация

на малки кръгли частици

Монохроматичният, добре квалифициран и пространствено кохерентен лъч на лазера дава възможност за директно спазване на дифракцията на светлината върху кръгли частици.

Заради дифракционните ъгли на частиците са значителни, размерът на частиците трябва да бъде малък. Въпреки това, ако поставите една малка частица в светлинния лъч, дифракционната картина ще бъде трудно да я наблюдавате на отдалечения екран, защото Картината ще бъде проектирана на лек фон, създаден от част от светлинен лъч, който не е изпитал дифракция.

За да получите добре видим дифракционен модел, трябва да сте поставени върху пътя на светлинния лъч, набор от хаотични идентични частици. В действителност, тъй като дифракцията на Фароферов се изследва, всяка отделна частица, независимо от позицията му в напречна равнина на светлинния лъч, дава същото разпределение на дифракцията.

При едновременното присъствие в участъка на лъча на много частици, ъгловото разпределение на дифната светлина, генерирано от всяка частица отделно, не се нарушава, ако няма системен интерфесиращ ефект между светлинните лъчи, различен от различни частици.

Ако лъчът на частиците е наклонен в напречното сечение на напречното сечение на частицата, след това чрез еднаква вероятност за всички стойности на фазите на вълните, се различават в различни посоки, ще има само интензитет на светлинни лъчи, които се различават различни частици. Дифракционна картина от. Н. частиците ще се увеличат с интензивност в Н. Веднъж в сравнение с дифракционния модел на отделна частица, без да се променя структурата му. Това обстоятелство се използва в настоящия експеримент.

Инсталацията остава същата като в упражнението 1, но вместо дифракционната решетка на Ройтерс, се създава дорник със стъклени плочи, между които се отлагат частиците на фрагментация (спори на растенията на Pladen), които са топките приблизително същия малък размер.

На екрана след превключване на лазера, можете да наблюдавате система от концентрична светлина и тъмни дифракционни пръстени, обграждащи лекия кръг.

Ъглов радиус А. I. Тъмните пръстени се подчиняват на отношенията:

Ъглов радиус А. I. Леки пръстени

(5)

където r. - радиус на частици, които причиняват дифракцията на светлината.

Стойности сина I. Изчислени от състоянието

(6)

където D I. - линейния диаметър на съответния дифракционен пръстен на екрана;

Л. - разстояние от стъклена плоча към екрана.

Поръчка за упражнения 2.

и обработване на експериментални данни

1 Измервай диаметрите на първия ( Д. 1) и втората ( Д. 3) тъмни пръстени на различни разстояния Л.. Резултати за пускане в таблица. 2.

2 Изградете график на зависимостта D \u003d F.(Л.) За всяка от дифракционните минимуми, т.е. D 1 \u003d f(Л.)и D 3 \u003d f(Л.).

3 определят допирачите на дифракционните ъгли, съответстващи на първия и втория тъмен пръстен, използвайки формула (6) и средната стойност на радиуса на частиците с отношения (4).

4 Определете грешката на измерването. Запишете крайния резултат във формата r. = <r.> ± r.\u003e (m).

5 правят заключения за работа.

Работа 17. Изследване на характеристиките на лазерната радиация

Цел на работата:

1. Запознайте се с принципа на действие и устройството на хелий-неонов лазер.

2. Да се \u200b\u200bзапознаете с смущенията, дифракцията и поляризацията на лазерната радиация.

3. Определете периодите на двуизмерната структура.

4. Определете ъгъла на дилъра на лазерния лъч.

Кратка теория

Лазерът е фундаментално нов източник на светлина. От радиация на обикновените източници (лампи с нажежаема жичка, лампи, дневна светлина и др.) Радиацията на лазера се различава в това, че е близо до монохроматична, има изключително висока време и пространствена кохерентност, много малка разлика , и следователно, изключително висока плътност на електромагнитната енергия. В допълнение, лазерният лъч се поляризира.

Принципът на лазера се основава на три физически уреди: принудителна радиация, инверсия на населението и положителна обратна връзка.

Поведението на атомите (молекулите) е предмет на законите на квантовата механика, според която стойностите на физическите величини (например енергия Е) могат да приемат само определени (дискретни) стойности. За енергия тези стойности се вземат графично за изобразяване под формата на така наречените енергийни нива (фиг. 1).

Най-ниското енергийно ниво се нарича основно, тъй като съответства на най-устойчивото състояние на частицата. Останалите нива с по-високи енергийни стойности се наричат \u200b\u200bразвълнувани.

Процесът, придружен от увеличаване на атомната енергия, е изобразен като преход към по-високо енергийно ниво, процес с намаление на енергията - като преход към по-ниско ниво.

Помислете за взаимодействието на електромагнитното излъчване (светлина) с атоми.

Първият тип взаимодействие: Атом, който е в основното състояние, абсорбира фотона, енергията на която е достатъчна за преход към една от възбудените държави (фиг. 1а).

и втори: атом, разположен в възбудено състояние,

спонтанно (спонтанно) отива в по-ниско състояние на енергия: този преход е придружен от фотонно излъчване (фиг. 1В).

С спонтанни преходи, различни атоми се излъчват не-многократно и независимо, следователно, фазите на излъчените фотони не са взаимосвързани, посоката на радиация, нейната поляризация е случаен характер и радиационната честота варира в някои ограничения, определени от енергийното ниво E 1 и E 2.

Спонтанното радиация е неподходящо, неполатеризирано, немоноконово.

Има обаче, трети тип взаимодействиекоето се нарича принудително радиация. Ако атом, разположен в възбудено състояние (фиг.2), радиацията попада с честота ν съответният преход на атом в по-ниско състояние (1), тогава атомът се придвижва в него, принуден под действието на този фотон, като излъчва фотон, който се нарича принудителна радиация.

Изключително важно е да се отбележи характерното свойство на принудително излъчване: излъчваната вълна (фотон) има точно същото посока и фазакато текущо. Освен това тези две вълни имат същите честоти и поляризационни държави.

Когато преходи 1 → 2 (фиг. 1А), външното излъчване се абсорбира и с принудителни преходи 2 → 1 (фиг. 2), напротив, той се усилва, защото Към външния фотон се добавя фотон, излъчван от атом. Вероятностите на преходите 1 → 2 и 2 → 1oninka. Ако повечето атоми са в възбудено състояние, тогава по-често преходи 2 → 1 . С други думи, е необходимо да се подобри външната радиация населениениво 2 е по-високо от населението на ниво 1 или трябва да създадете инверсиянива на населението.

При температури t, броят на N атомите е в състояние с енергия Е се определя от формулата на Boltzmann

N ~ exp (-e / kt)

където К е константата на Болцман.

Може да се види, че по-голямата енергия на държавата е, толкова по-малка е броят на N атомите в това състояние. Това означава, че по-ниските нива са повече в равновесно състояние, а поглъщането на светлината преобладава над амплификацията.

Инверсията на нивата на населението съответства на негерното състояние на атомите на средата.

Създават такова състояние може да бъде изкуствено
Енергия към работното вещество, за сметка на това кои атоми се прехвърлят на горното енергийно ниво. Такъв процес се нарича изпомпва.В различни типове лазери, изпомпването се извършва по различни начини: в лазерите на твърдо състояние, то се извършва поради абсорбцията на светлина от допълнителни лампи, в газа - поради предаването на енергията на енергията на. \\ T електроните, ускорени от електрическото поле по време на техните сблъсъци.

Средната, в която се извършва инверсията на популацията, се нарича активна среда.

Думата "лазер" е съставена от първоначалните букви на английската фраза: "усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация", което означава: "укрепване на светлината с помощта на принудителна радиация." Лазерите също се наричат \u200b\u200bоптични квантови генератори (OCG).

Газови лазери. Хелий неонов лазер.

Основният елемент на Helium neon лазер непрекъснато

действията са тръба 2 (фиг. 3), напълнена със смес от хелий и неонова с частично налягане от около 1 и 0.1 mm.r.t., съответно. Краищата на тръбата са затворени с плоски паралелни стъклени плочи 3, монтирани в ъгъла на скалата към неговата ос.

Изпомпването в газовия лазер се извършва поради енергията на захранването, която поддържа светещия разтвор между катода 4 и анода 5. Изпускането в тръбата се появява при 1.5-2.0 kV. Разтоварващият ток на тръбата е десетки милиамп.

Работните атоми на хелий-неонови лазера са атоми

неон, излъчващи червени фотони (λ \u003d 632.8 nm), на фиг. 4 показва опростена схема на нива на неонови и хелий атоми.

В чист неонов статутът на държавите от 3s, когато изпомпването е неефективно, тъй като това ниво има малък живот, а неоновият атом спонтанно влиза в състояние 2п.

Ситуацията се променя, когато хелий добави към неоната. Енергията на хелий 2s е равна на нивото от 3S neon. Нивото на 2S хелий енергията е дълготрайно и ефективно населява. В сблъсъците на възбудените хелий атоми с неонови атоми, енергията се предава на атоми на неонова. В резултат на това е създадена обратна популация от 3S неоновото работно ниво.

След това се случва многобройни в активната среда
Деяния на спонтанни преходи 3s → 2p, нововъзникващи фотони (λ \u003d 632.8 nm) водят до принудителни преходи. Тези фотони, които се движат под някакъв ъгъл към оста на тръбата, не участват в получаването на лазерен лъч. Образуването на лазерния лъч се дължи само на фотоните, излъчвани по оста на тръбата.

Укрепването на лъча е много по-бързо, ако светлината се връща обратно в активната среда, където тя ще се засили отново поради принудителни преходи. За такава ситуация те говорят като обратна връзка. За да създадете положителна обратна връзка в лазерите, използвайте оптичен резонатор, който е две огледала 1 (фиг. 3).

Увеличаването на интензивността на принудителното излъчване се случва лавиноподобно и става значително по-интензивност на спонтанното радиация, което в бъдеще не може да се обмисли.

Генерирането на лазерния лъч започва в момента, когато увеличаването на енергията на радиация, дължащо се на принудителните преходи надвишава загубата на енергия за всяко преминаване на резонатора. За изхода на лъча от резонатора, един от огледалата 1 се прави полупрозрачен. Повърхностите на двете огледала са покрити с филми, чиято дебелина е избрана по такъв начин, че да отразява вълните на желаната дължина на вълната и всички останали потушени.

Прозрачността на резонаторните огледала обикновено е по-малко от 1%.

Характеристики на лазерното лъчение.

Подобна информация.

Характеристики на газообразната активна среда. Основни методи на възбуждане. Електрическо разтоварване, газовата динамика, химическо възбуждане, фотодисоциация, оптично изпомпване. Резонансно предаване на възбуждаща енергия по време на сблъсъци. Хелий неонов лазер. Нива на схемата. Предаване на енергия за възбуждане. Конкуренция на радиационните линии върху вълни от 3.39 и 0,63 микрона. Параметри за разреждане, лазерни параметри.

Разглеждане на методите за създаване на инверсия ще бъде извършена върху примерите на лазерите, представляващи най-голям интерес.

Нека започнем с газови лазери. Газотата на активната им среда води до редица прекрасни последствия. На първо място, само газовите среди могат да бъдат прозрачни в широк спектрален обхват от вакуум UV регион на спектъра към вълните на далечен IR, по същество микровълнова печка. В резултат на това газовите лазери работят в огромна гама от дължини на вълните, съответстващи на промяната в честотата с повече от три порядъка.

Освен това. В сравнение със солидни тела и течности газове имат значително по-ниска плътност и по-висока хомогенност. Следователно светлинният лъч в газа е по-малко изкривен и разкриван. Това улеснява постигането на дифракционна граница на лазерното излъчване.

При ниска плътност за газове се характеризира доплералното разширяване на спектралните линии, чиято стойност е малка в сравнение с ширината на линията на луминесценцията в кондензираната среда. Това улеснява постигането на висока монохроматична радиация на газовите лазери. В резултат на това характерните свойства на лазерното излъчване са най-ясно проявени в радиацията на газовите лазери - висока монохрозарност и ориентация.

Компонентите на частиците на газа взаимодействат помежду си в процеса на сблъсъци на газ. Това взаимодействие е относително слабо; Следователно тя на практика не засяга местоположението на Urdvine енергия на частиците и се изразява само в разширяването на съответните спектрални линии. При нисък натиск, сблъскването, което се разширява малко и не надвишава доплера

ширина. В същото време увеличаването на налягането води до увеличаване на ширината на сблъсъка (вж. Втората лекция втората) и ние получаваме възможност да контролираме ширината на армировката на активната среда на лазера, съществуваща само в случая на газови лазери.

Както знаем, за да изпълним условията за самоизвиване, печалбата в активна среда в един проход на резонатора на лазера трябва да надвишава загубата. В газовете, липсата на нерезонирани енергийни загуби директно в активната среда улеснява извършването на това състояние. Технически е трудно да се правят огледала със загуби, които са забележимо по-малки от 1%. Следователно укрепването на едно преминаване трябва да надвишава 1%. Относителната лекота на извършване на такова изискване в газове, например чрез увеличаване на дължината на активната среда, обяснява наличието на голям брой газови лазери в широк диапазон от дължини на вълните. В същото време ниската плътност на газовете предотвратява такава висока плътност на развълнувани частици, което е характерно за твърди тела. Следователно специфичната консумация на енергия на газовите лазери е значително по-ниска от лазерите върху кондензираната среда.

Спецификите на газ също се проявяват в многообразието на различни физически процеси, използвани за създаване на инверсия на популациите. Те включват възбуждане в сблъсъци в електрическия разряд, възбуждането в газо-динамични процеси, химическо възбуждане, фотодисоциация, оптично изпомпване (главно лазерно лъчение), възбуждане на електронни лъча.

В огромното мнозинство от газовите лазери инверсията на населението се създава в електрически разтоварване. Такива газови лазери се наричат \u200b\u200bгазов разряд. Газоразрядният метод за създаване на активна среда е най-често срещаният метод за получаване на инверсия в газовите лазери, тъй като изпускателните електрони лесно вълнуват частиците на газта, превръщайки ги в процесите на неластични сблъсъци до по-високи нива на енергия. Обикновено наблюдаваното изхвърляне на блясъка (газопреносни лампи) се обяснява с спонтанни преходи от тези енергийни нива. Ако скоростта на разпадащите процеси на възбудени държави е благоприятна от натрупването на частици на някакво най-високо ниво на енергия и изпразването на някаква по-ниска енергия, има инверсия на популациите между тези нива. Лесно вълнуващ газ в широк енергиен обхват, електроните на газовото освобождаване създават инверсия на нивата на населението на неутрални атоми, молекули, йони.

Методът на газоразряд е приложим за възбуждането на лазерите както на непрекъснати, така и на импулсни режими на работа. Визуалното възбуждане се използва предимно в случай на неблагоприятен за непрекъснат режим на динамиката на популацията в горните и долните нива на енергия, както и за получаване на висока радиационна сила, недостижима в непрекъснат режим.

Електрическото освобождаване в газа може да бъде независимо и независимо. В последния случай проводимостта на газа се осигурява от външен йонизиран агент, а процесът на възбуждане се извършва независимо от условията на газовата разбивка с оптималната стойност на силата на електрическото поле в разликата в разтоварването. В газова среда, йонизирано независимо външно влияние, това поле и причиненото от тях ток определят енергията на възбуждане (вход за енергия), въведена в категорията.

Характерна особеност на газовете е възможността за създаване на такива газови маси, при които параметрите на термодинамичния газ се променят драстично. Така че, ако предварително загрятен газ внезапно се разширява, например, когато изтича със свръхзвукова скорост през дюза, температурата на газа рязко намалява. Тази нова, значително по-ниска температура съответства на ново равновесно разпределение на популациите в енергийните нива на газовите частици. В случай на внезапно намаляване на температурата на газа за известно време равновесието на това разпределение е нарушено. След това, ако релаксацията на ново термодинамично равновесие за по-ниското ниво ще бъде по-бързо, отколкото за горната, газо-динамичното разширение е придружено от инверсия на населението, която съществува в известен срок от газ след газ. Размерът на тази област се определя от скоростта на газо-динамичен поток и времето за релаксация на обратната популация в нея.

Такъв е газо-динамичният метод за получаване на инверсия, при която топлинната енергия на нагрятия газ се превръща директно в енергията на монохроматичната електромагнитна радиация. Важна характеристика на този метод е възможността за организиране на газо-динамични потоци на големи маси на активното вещество и по този начин се получава висока изходна мощност (виж формула (6.57)).

В случай на химическо възбуждане, инверсията на елемента се създава в резултат на химични реакции, при които се образуват развълнувани атоми, молекули, радикали. Газовата среда е удобна за химическо възбуждане от факта, че реагентите са лесно и бързо се смесват и лесно се транспортират. При химични реакции на газ, не-равновесното разпределение на химическата енергия сред реакционните продукти се проявява най-силно и остава най-дълго. Химическите лазери са интересни, тъй като имат пряка трансформация на химическата енергия в енергията на електромагнитното излъчване. Участието на верижните реакции води до факта, че относителният дял на енергийното снабдяване пада. Разходи за иницииране на реакции, които осигуряват инверсия. В резултат на това консумацията на електроенергия по време на експлоатацията на химическия лазер може да бъде много малка, което също е голямо предимство на химичния метод за създаване на инверсия. Добавете към това, че отстраняването на реакционните продукти, т.е. работата в газовия поток може да осигури непрекъснат характер

работа на химически лазери. Съществува и комбинация от химически и газо-динамични методи на възбуждане.

Лазерите са в непосредствена близост до химически лазери, инверсия на популации, в която се постига с помощта на фотодисоциационни реакции. Като правило, това са бързи реакции, инициирани от интензивна импулсна светла огнища или експлозия. В резултат на дисоциация се появяват развълнувани атоми или радикали. Експлозивната природа на реакцията причинява импулсен режим на работа на такива лазери. Поради факта, че с подходящото иницииране фотодисоцецията може да покрива в същото време голямо количество източник на газ, импулсната мощност и енергията на радиацията в метода на фотодисация на създаването на инверсия могат да достигнат значителни стойности.

Една особена природа в случай на активна среда на газ се превръща в такъв общ метод за създаване на инверсия като оптично изпомпване. Благодарение на ниската плътност на газовете, техните резонансни абсорбционни линии на тесни. Следователно, оптичното изпомпване може да бъде ефективно, ако източникът на помпата е достатъчно монохроматичен. Обикновено се използват лазерни източници. Спецификата на газовете в случай на оптично изпомпване също се проявяват във факта, че поради тяхната ниска плътност, дълбочината на проникване на изпомпване на радиация в газ може да бъде голямо и топлинно разсейване при абсорбиране на радиацията е малка. Като правило, резонансното оптично изпомпване на газови медии практически не води до нарушение на тяхната оптична хомогенност.

С електронно-лъчево възбуждане на газови среди, еонизацията на газ се среща с високоенергийни електрони (0.3-3 MeV). В същото време, енергията на бързите електрони на първичния лъч, общият брой на които е относително малък, каскадно се превръща в енергия на голям брой бавни електрони. Извличането на горните лазерни нива се извършва от тези нискоенергийни електрони (от единици до десетки електронна енергия). Тъй като дължината на пробега на високоенергийни електрона в газовете е достатъчно голяма, методът на възбуждане на електронния лъч е много удобен за създаване на активна среда с големи обеми при високи газове и газове от всякакъв състав.

Електронно възбуждане е гъвкаво и в същото време мощният метод е практически приложим. Голямото предимство на този метод също е възможността за нейната комбинация с други методи за създаване на активна среда на газови лазери

Преди да пристъпи към това как всички тези методи за създаване на инверсия се прилагат в някои газови лазерни лазерни системи, представляващи най-голям интерес, препоръчително е да се отбележат двете обстоятелства от общ характер.

Първо, постигането на инверсия в газовата среда е силно улеснено от относителния ген на релаксиращи процеси

в газове. Като правило, съответните константи на скоростта са добре известни или могат да бъдат сравнително лесно проучени експериментално. В късовълен регион и за добре разрешени преходи, процесът, който предотвратява получаването и задържането на инверсия, е спонтанното разпадане на най-високото ниво (виж втората лекция). Времето на радиация на живота на атомите, молекулите, йони също са добре известни или могат да бъдат относително добре известни. Стойностите на тези времена, известни със свободни частици, са валидни за газове.

Второ, газовете се характеризират с предаването на енергията на възбуждане от частици от един сорт до частици от друг вид с неластични сблъсъци между тях. Такова прехвърляне е още по-ефективно, толкова по-точно съвпадат нивата на енергия за сблъскване на частици. Факт е, че винаги разликата в ценностите на енергията на тези държави, чийто обмен на популации възникне по време на сблъсък, води до факта, че предаването на възбуждане е придружено от освобождаването (или абсорбцията) на кинетичната енергия на кинетичната енергия

Тук n е плътността на частиците на радиационните донори, n е плътността на акцепторите, звездичката означава възбуждане на съответната частица. Символът K, стоящ над стрелките в уравнение (13.1), обозначава постоянната скорост на тази реакция. Кинетичната енергия може да бъде получена от резервоара за термична енергия на транзитното движение на газовите частици (или прехвърлени в този резервоар). За да може такъв процес да бъде ефективен предаден на резервоара (получен от резервоара) в един сблъсък, енергията не трябва да надвишава средната термична енергия на една частица. С други думи, енергийният дефицит на разглежданите държави трябва да бъде малък: \\ t

В този случай се случва така наречената резонансна (квази-резонанс) предаване на възбуждаща енергия.

Като цяло процесът на прехвърляне на енергия (13.1) е описан чрез високоскоростното уравнение на формата

където t е някакво време за релаксация, и скоростта на скоростта на енергията на възбуждане, както обикновено,

Тук V е скоростта на сблъскването на частиците, а напречното сечение на предавателния процес се приближава към газ-системно напречно сечение, когато условно състояние (13.2). В дясната част на уравнението

(13.3) Процесът на връщане се взема предвид. Ако приемем, че прилагат закона за запазване на частиците:

от (13.3) е лесно да се получи това в стационарни условия

Като се има предвид това

постига се нивото на възбуждане на акцептори, максимално възможно ниво на възбуждане на донорите.

Така, процесът на предаване на водата на възбуждащата енергия от частици от един сорт до частици от друг сорт, характерен за газовите среди, е ефективен при извършване на състояние (13.2). Този процес е ефективен при създаването на активна лазерна среда, базирана на N тип N чрез възбуждане на частици от тип N, когато условно състояние (13.7).

Фиг. 13.1. Предаването на възбуждаща енергия съгласно схемата е директната стрелка на VSCER - възбуждането на частиците n, директната стрелка надолу - радиацията чрез частици е вълнообразна стрелка надолу - релаксация на долното лазерно ниво на частици N. Показвайки липсата на собствена релаксация на частиците

Предаването на енергия за възбуждане значително разширява възможностите за създаване на газови лазери, което позволява да се раздели енергията на възбуждане и последващото радиация в активната среда в желаната дължина на вълната. Процесът се извършва на два етапа. Първоначално по един или друг начин частиците на спомагателния газ са развълнувани - носител на излишната енергия и изпъкнало възбуждане на енергийния донор. След това, в процесите на съвместни сблъсъци, енергията се предава от носещия газ до частици на работещ газ - акцепторът на енергията на възбуждане, като по този начин вдишва горното им лазерно ниво. Горен; Енергийното ниво на спомагателния газ трябва да има много живот, за да натрупа добре енергията. Схематично разглежданият процес е показан на фиг. 13.1.

Разглежданият метод се използва широко, като практически с всички методи на възбуждане (електрически разряд, \\ t

газо-динамично, химично и т.н.) често е много по-изгодно да инвестират директно възбуждащата енергия не в тези частици, чиято радиация е желана, а в тези, които лесно поемат тази енергия, те не го отделят сами и доброволно дайте възбуждането им на желаните частици.

Сега се обръщаме към прякото разглеждане на редица газови лазери. Да започнем с атомните газови системи, чийто светъл представител е хелиев неонов лазер. Добре известно е, че този лазер е по същество. Първоначалните изчисления и предложения принадлежат на газови лазери, главно поради по-голямата степен на разбиране на нивата на енергийните нива и условията на възбуждане в вече обсъжданите в газовата среда. Въпреки това, първият е създаден рубин лазер поради факта, че този кристал е внимателно проучен в радиоспектроскопия на EPR и е широко използван в микровълновата квантова електроника, за да се създадат парамагнитни квантови усилватели (парамагнитни материали). Скоро, в края на същия 1960, А. Джанс,

Фиг. 13.2. Развъдната схема на неоната и хелий в електрическия разряд (обозначенията на стрелките са същите като на Фиг. 13.1). Показана е възможността за каскадно използване на енергийните нива на неоната.

W. Bennett и D. Harriiti създадоха хелиев неонов лазер на дължина на вълната от 1,15 микрона. Най-голям интерес към газовите лазери се формира след отварянето на генерирането на хелий-неонов лазер върху червена линия от 632.8 nm практически при същите условия, както при първото пускане на вълната от 1,15 микрона. Това предимно стимулира лихвите към лазерните приложения. Лазерният лъч се превърна в инструмент.

Техническите подобрения доведоха до факта, че хелият неонов лазер престана да бъде чудо на лабораторно оборудване и експериментално изкуство и се превърна в надеждно устройство. Този лазер е добре известен, той оправдава славата си и заслужава внимание.

В хелий неонов лазер работното вещество е неутрални неонови атоми. Възбуждането се извършва чрез електрически разтоварване. Опростени и обаче, в известен смисъл обобщената схема на неонови нива е показана в дясната страна на фиг. 13.2. В електрически разряд в сблъсъци с електрони

нивата са развълнувани. Нива метастабилни, а нивото в сравнение с тях е по-кратко. Следователно изглежда, че инверсията на популациите на населението във връзка с. Това обаче предотвратява метастозното ниво. В спектрите на много атоми, включително инертни газови атоми, има такова дълготрайно метастотно ниво. Разговаряйки в сблъсъци с електрон, това ниво не позволява нивото да бъде намалено, което предотвратява получаване на инверсия.

В чист неонов, създаването на инверсия в непрекъснат режим е трудно. Тази трудност, която е достатъчно често срещана за много случаи, е причинена от въвеждането на допълнителен газ за освобождаването на развъдните ресурси. Този газ обслужва хелий. Енергиите на двете първо развълнувани метапасирани нива на хелий (фиг. 13.2) съвсем точно съвпадат с енергиите на неонови нива. Следователно условията на резонансно предаване на възбуждане съгласно схемата са добре изпълнени.

С правилно подбран натиск на неонов и хелий, удовлетворяващо състояние (13.7), едно или и двете неонови нива могат да бъдат постигнати значително над това в случай на чист неонов и да се получи инверсия на населението на тези нива по отношение на. \\ T ниво.

Изпразването на ниските лазерни нива се среща в сблъсъци, включително в сблъсъци със стените на газостанционната тръба.

Подчертаваме, че методът за предаване на енергия от газ, директно не работи, но лесно развълнуван, на газ, който не натрупва енергия за възбуждане, но лесно излъчва, за първи път се прилага в хелий-неонов лазер за първи път в хелий неонов лазер за първи път в квантова електроника.

Погледнете по-подробно схемата на нивата на неутрални хелий и неом атоми (фиг. 13.3).

По-ниските от възбудените държави на хелий съответстват на енергията от 19.82 и 20.61 eV. Оптичните преходи от тях до земята са забранени в подхода - комуникации, валидни за хелий. Условията са метастабилни състояния с приблизително живота. Следователно, те са добре натрупани от енергията, получена, когато е развълнувана степен на електронна.

За неона клапан-външен осцилат е валиден. На фиг. 13.3 Условия, свързани с една конфигурация, се показват с мастна линия с разпределението на работното покой. За да се идентифицират нива, се използват етапите, най-разпространените в съществуващата литература. Нивата са близо до метастозните нива на хелий 250 и 2%, енергийният дефицит е приблизително равен на този при 300 k

,)) Държавата има дълго време поради резонансното улавяне на радиацията поради радиационна комуникация с основното състояние.

В неонови S-държави имат големи времена от живота, отколкото P-условията. Това, общо казано, ви позволява да получите инверсия на преходите, но имайте предвид, че състоянието на неоната е добре обитавано в категорията и с не прекалено големи изпускателни токове, стъпало (каскадно) население на долните лазерни нива е възможно, когато преходите от държавата

Фиг. 13.3. Схемата на по-ниските развълнувани енергийни нива на хелий и Пеон: прави стрелки - възбуждане на хелий, вълнообразните стрелки - предаването на енергията на възбуждане от хелий до неонова, наклонени права стрелки - радиация на неонови атоми. Не се показват каналите за релаксация на долните лазерни нива на неоната.

Въведение в разтоварване по отношение на голямо количество хелий, осигуряващо външно състояние интензивно състояние по отношение на неоната, премахва ограниченията за възможността за получаване на инверсия в непрекъснат режим. Исторически, поколение е получено при прехода. Основната сила съответства на прехода. След това се прилага инверсия на преходи.

И трите вида генериране възникват при същите условия на освобождаване и имат същите зависимости на мощността на генериране на параметрите на разреждането. В същото време конкуренцията на поколенията върху вълни от 3.39 и 0,63 микрона, които съответстват на преходи с общо горното ниво, съответстват на преходите. Ето защо, поколението на една от тези вълни отслабва поколението на друг от тях. Случаят е сложен от рязко разлика в коефициентите на усилване. Преходът съответства на печалбата и затова лесно се постига чрез поколение в прост, като метал, огледала. Преходът е много

по-капризен. Тя съответства на леко усилване в това, като други неща са равни, тя не може да се конкурира с гигантска печалба. Следователно, за получаване на генериране във видимия регион, хелий-неонов лазер се доставя с многослойни диелектрични смущения с висок коефициент на отразяване само при желаната дължина на вълната. Преходът съответства на генерирането на подобрение се постига. Използване на диелектрични огледала.

Хелиевият неонов лазер е газоразряд лазер. Извъдложението на хелий атоми (и неонова) се появява при светещо разтоварване с нисък ток. Като цяло, в непрекъснати лазери върху неутрални атоми или молекули за създаване на активна среда, най-често се използва слабо окуражаваща плазма на положителната колона на светло разтоварване. Плътността на текущия разряд е. Напрежението на надлъжното електрическо поле е такова, че броят на електроните и йоните, възникващи върху един сегмент от разликата в разтоварването, компенсира загубата на заредени частици по време на дифузия към стените на газостанционната тръба. Тогава положителната длъжност на освобождаването е неподвижна и униформа. Температурата на електрон се определя от продукта на налягането на газа във вътрешния диаметър на тръбата D. при малка електронна температура е голяма, с голяма степен. Постоянството на стойността определя условията за сходството на заустванията. С постоянна плътност на броя на електроните, условията и параметрите на разреждането ще бъдат непроменени, ако работата е неизменно. Плътността на броя на електроните в слабо насърчаваща плазма на положителната длъжност е пропорционална на плътността на текущата. стойност.

За площ от 3.39 микрона (серия, най-силната линия), горното лазерно ниво, както е споменато, съвпада с горното ниво на червената линия от 0,63 микрона. Следователно оптималните условия на изхвърлянето се оказват еднакви.

В много чести случаи, когато една и съща притиснати газо-изпускателна тръба се използва в хелий-неонов лазер със сменяеми огледала, за да работи в различни диапазони на дължината на вълната, някои компромисни стойности обикновено се избират в доста широк спектър от параметри: диаметърът на Газоразрядната тръба е 5-10 mm, съотношението частично налягане 5-15, общо налягане 1 - 2 Torr, ток 25-50 mA.

Наличието на оптимално в диаметър се дължи на конкуренцията на два фактора. Първо, с увеличаване на напречното сечение на активната лазерна среда, като други неща са равни, има увеличение на възможността за разпадане на стената на капилярната капилярна капиляр на газо-изпускателната тръба увеличава печалбата пропорционално. Последното се случва, както се дължи на - увеличаване на вероятността за разпадане на стената на капиляра на статуса на неон и поради увеличаване на количеството възбуден хелий (и по този начин неонов), което означава, че печалбата на коефициентът, като същевременно поддържа постоянен продукт, т.е. условията за сходство на тлеещи изхвърляния при смяна на диаметъра на газоразрядната тръба.

Наличието на оптимална плътност на разрядния ток се дължи на появата на каскадни процеси от типа при високи токове

води до намаляване на инверсията (виж фиг. 13.2 и 13.3). Процесите от този вид могат да станат съществени като увеличаване на неоновото налягане, което от своя страна определя наличието на оптимално налягане.

Десетки миливати в райони от 0,63 и 1,15 микрона и стотици миливатци в областта на 3,39 микрона трябва да се считат за характеристики на характеристичния радиационен капацитет на радиацията на хелий-неонови лазери. Животът на лазера в отсъствието на грешки в производството е ограничен от процесите в освобождаването и се изчислява от години. С течение на времето, в изхвърлянето има нарушение на състава на газа. Благодарение на сорбцията на атомите в стените и електродите, процесът на "твърди", спада на налягането, съотношението на частичното налягане на хелий и неонови промени.

Нека сега живеем за проектирането на конструкцията на неонови лазера Резонова. Голяма краткосрочна стабилност, простота и надеждност на дизайна се постигат, когато резонаторните огледала са монтирани в изпускателната тръба. Въпреки това, с това място, огледалото е относително бързо развалено в разтоварването. Ето защо най-голямото разпределение е дизайнът, в който газостанционната тръба, оборудвана с прозорци, разположена на ъгъла на брутенененене към оптичната ос, се поставя вътре в резонатора. Такова местоположение има редица предимства - опростява корекцията на огледалата на резонатора, експлоатационния живот на газостанционната тръба и огледалата се увеличава и тяхната промяна се улеснява, \\ t

възможност за контрол на резонатора и използването на дисперсионния резонатор, освобождаването на МО и др.

В квантовата електроника въпросът за ширината на обработващата линия е важен (виж втората лекция). За газовите лазери, естествени, сблъсъци и доплерови разширения са от съществено значение. В случай на хелий-неонова лазерна формула (2.8) (където съгласно нея е необходимо да се разбере - естественият живот на р-състоянието на неоната, и по времето t., Отнасящи се до SS-State), дава стойността на естествената ширина на MHz линия. Разширението на сблъсъка (формула (2.31) се определя чрез налягане на газ. За неонови атоми при предположението, че напречното сечение на съответния процес на сблъскване е равен на газо-системния, при налягане от порядъка на MHz. Doppler Line ширина ( Формула (2.28) и се определя по-специално, дължината на вълната на излъчване. За линиите от 0.63 цт при 400 към тези формули дават, че той е добре в съответствие с експерименталните данни. От казаното, ясно е, че в случая на това Хелий-неонов лазер, основният механизъм, причиняващ емисиите на радиационната линия, е доплеров ефект. Английският е сравнително малък и с такава линия можете да получите поколение на един надлъжен мод, т.е. едночестотно поколение най-малко , но физически напълно реализирана дължина на резонатора 15 cm. (формула (10.21)).

Хелий неонов лазер е най-представителният пример за газови лазери. В емисиите си всички характерни свойства на тези лазери се проявяват ясно, по-специално провал на Ламбовски, обсъждани в единадесетата лекция. Ширината на това не успява да бъде близо до ширината на една от онези хомогенно договорени линии, като тоталността на която не е равномерно управлявана доплерова линия. В случай на хелиев неонов лазер, такава хомогенна ширина е естествена ширина. Тъй като позицията на lambovsky повреда (виж фиг. 11.6) много точно показва позицията на центъра на работната преходна линия. Кривата, представена на фиг. 11.6, за ламбовския повреда е експериментално получена чрез гладка промяна в дължината на резонатора на единствения лазер. Следователно, позицията на минимума от повреда може да се използва в съответната обратна връзка, контролната дължина на резонатора, за да стабилизира честотата на лазерно генериране. Това е получило относителна стабилност и възпроизводимост на честотата, равна на. Отбелязваме обаче, че по-високата стабилност се постига, когато повредата не се изгаря в линията на амплификация на активната среда, но в абсорбционната линия на резонансния газ. За поколенията такъв газ е метан.

Като подчертаваме, че има редица газови лазери върху неутрални атоми, включително в атомите на благородни газове, отбелязваме, че индустрията произвежда хелий-неонови лазери в широк диапазон.

Целта на работата е да проучи основните характеристики и параметри на газовия лазер, като активно вещество, в което се използва смес от хелий и неонови газове.

3.1. Принцип на експлоатация на хелий неонов лазер

Хелий неонов лазер е типичният и най-често срещан газов лазер. Той се отнася до атомните газови лазери и неговата активна среда е смес от неутрални (недионизирани) атоми на инертни газове - хелий и неонова. Неонът е работещ газ и преходи с емисии на кохерентно електромагнитно излъчване възникват между нейните енергийни нива. Хелий изпълнява ролята на спомагателния газ и допринася за започване на неонова и създава инверсия на населението в нея.

За да започнете да генерирате във всеки лазер, трябва да се извършат две най-важни условия:

1. Трябва да има инверсия на населението между работещите лазерни нива.

2. Укрепването в активната среда трябва да надвишава всички загуби в лазера, включително "полезни" загуби на продукцията на радиация.

Ако има две нива в системата Д. 1 и Д. 2 с броя на частиците на всеки от тях съответно Н. 1 и Н. 2 и степен на дегенерация г. 1 и г. 2, инверсията на популациите ще се случи, когато населението Н. 2 /г. 2 най-високо ниво Д. 2 ще бъде повече население Н. 1 /г. 1 по-ниско ниво Д. 1, т.е. степента на инверсия δ Н. Ще бъде положително:

Ако нивата Д. 1 и Д. 2 не-дегенерират, тогава за появата на инверсия е необходимо броят на частиците Н. 2 на най-високо ниво Д. 2 е по-голяма от броя на частиците Н. 1 на по-ниско ниво Д. един. Извиква се образуването на инверсия на населението и появата на принудителни преходи с емисиите на кохерентна електромагнитна радиация работни лазерни нива.

Създава се държавата с инверсия на популациите изпомпване - възбуждане на газовите атоми по различни методи. Поради енергията на външния източник изтегляне на източника, Ne Atom от основното енергийно ниво Д. 0, съответстващ на състоянието на термодинамичното равновесие, преходи към възбуденото състояние на NE *. Преходите могат да възникнат на различни енергийни нива в зависимост от интензивността на помпата. Освен това възникват спонтанни или принудителни преходи на основните енергийни нива.

В повечето случаи не е необходимо да се вземат предвид всички възможни преходи между всички държави в системата. Това прави възможно да се говори за два, три- и най-ниски диаграми на лазерите. Видът на схемата за лазерна работа се определя от свойствата на активната среда, както и използваната чрез изпомпване.

Хелиевият неонов лазер работи на схема на три нива, както е показано на фиг. 3.1. В този случай, помпените канали и радиационното производство са частично разделени. Изпомпването на активното вещество причинява преходи от основното ниво Д. 0 за развълнувано ниво Д. 2, което води до появата на инверсия на населението между работните нива Д. 2 I. Д. един. Активната среда в държавната инверсия на инверсия на работните нива е в състояние да повиши електромагнитната радиация с честота
поради процесите на принудително емисии.

Фиг. 3.1. Схема на енергийните нива на обработката и спомагателния газ, обяснявайки работата на хелий неонов лазер

Тъй като разширяването на енергийните нива в газовете не са достатъчни и отсъстват широко абсорбционни ленти, след това получаването на обратна популация с оптична радиация е трудно. Въпреки това, в газовете са възможни други методи на помпата: директно електронно възбуждане и резонансното предаване на енергия в сблъсъка на атомите. Възбуждането на атомите в сблъсък с електрони може да бъде най-лесно, проведено в електрическо изпускане, където електроните се ускоряват от електрическото поле може да придобие значителна кинетична енергия. С нееластични сблъсъци на електрони с атоми, последният отива до възбуденото състояние Д. 2:

Важно е процесът (3.4) да е резонансен в природата: вероятността за предаване на енергия ще бъде максимална, ако възбудените енергийни състояния на различни атоми съвпадат, т.е. са в резонанс.

Подробности за енергийните нива не са и основните работни преходи са схематично показани на фиг. 3.2. Преходи, съответстващи на нееластичните взаимодействия на газовите атоми с бързи електрони (3.2) и (3.3), се показват с пунктирани стрелки нагоре. Хелиевите атоми в резултат на електронни удари са развълнувани до нива 2 1 s 0 и 2 3 s 1, които са метастабилни. Излъчващите преходи към хелий до земното състояние 1 s 0 са забранени от правилата за подбор. В сблъсъка на развълнуваните атоми, не с NE атоми, които са предимно 1 s 0, е възможно възбуждане (3.4), а неоната отива на едно от 2-те или 3-те нива. В този случай състоянието на резонанс се извършва, тъй като енергийните пропуски между основните и развълнуваните държави в спомагателните и работещите газове са близки един до друг.

С нива на 2s и 3s neo, радиативните преходи могат да се появят на нива 2p и 3r. Нивата р са по-малко населени от горните нива s, тъй като липсва прякото предаване на енергия от атомите на тези нива. В допълнение, нивата на P имат малък период от време, а нетрайният преход на P → 1S изпразва нивата на Р. Така възникват ситуацията (3.1), когато населението на горните нива на S е по-горе Населението на основните нива Р, т.е. между нивата S и P се извършва инверсия на населението, което означава прехода между тях, може да се използва за лазерно поколение.

Тъй като броят на нивата S и P са големи, е възможно голям набор от различни квантови преходи между тях. По-специално, с четири нива от 2 години за десет нива 2R, 30 различни прехода се оставят да избират правилата за подбор, в повечето от които се получава генериране. Най-силната линия на радиация по време на преход 2S → 2P е линията 1.1523 цт (инфрачервена област на спектъра). За 3S → 2 прехода, линията е най-значимата линия 0.6328 микрона (червена зона) и за 3S → 3R - 3.3913 микрона (IR регион). Спонтанното излъчване възниква на всички изброени дължини на вълните.

Фиг. 3.2. Енергийни нива на хелий и неонови атоми и работа Schemehe-ne-laser

Както е споменато по-рано, след радиативни преходи на нивата на Р, има разпадане на празен лък, когато R → 1S преходи. За съжаление, нивата на неонови 1s са метастабилни и ако няма други примеси в газовата смес, единственият начин за прехода на неонови атоми към земята от нивото 1 е сблъсък с стените на съда. Поради тази причина усилването на системата се увеличава с намаляване на диаметъра на изпускателната тръба. Тъй като държавите 1с не са бавни, тогава атомите се забавят в тези държави, което е много нежелателно и определя броя на характеристиките на този лазер. По-специално, когато увеличава изпомпването над праговата стойност й. Порите има бързо увеличение, а след това наситеността и дори разпадането на лазерната радиационна сила, която се дължи само на натрупването на работни частици на нива 1s и след това ги прехвърля в състояние 2R или 3R, когато се сблъскват с електрони. Той не дава възможност да се получи висока радиационна мощност.

Появата на обратна популация зависи от налягането на той и NE в сместа и електронната температура. Оптималните стойности на газовия натиск са за не 133 Pa, за Ne-13 Pa. Електронната температура се настройва чрез напрежението, приложено към газовата смес. Това напрежение обикновено се поддържа при 2 ... 3 кв. М.

За да се получи лазерно поколение, е необходимо да съществува положителна обратна връзка в лазера, в противен случай устройството ще работи само като усилвател. За да направите това, активната газова среда се поставя в оптичен резонатор. В допълнение към създаването на обратна връзка, резонаторът се използва за избор на видовете трептения и избора на дължината на вълната на поколение, за които се прилагат специални селективни огледала.

При помпени нива, близки до прага, генерирането на един тип трептения е сравнително лесно за генериране. С увеличаване на нивото на възбуждане, ако не се приемат специални мерки, възникват няколко други режима. В този случай, генерирането възниква при честоти, близки до резонансни честоти на резонатора, които са затворени в ширината на атомната линия. В случай на аксиални типове трептения (миниатюри) разстоянието в честотата между съседните максимуми
където Л. - дължината на резонатора. В резултат на едновременното присъствие на няколко режима в спектъра на емисиите има ритми и нехомогенност. Ако съществуват само аксиални режима, спектърът ще представлява отделни линии, разстоянието между което би било равно ° С. / 2Л.. Но в резонатора е възможно да се вълнуват неаксиалните типове трептения, например 10-режима, наличието на което силно зависи от настройката на огледалото. Следователно, в спектъра на емисиите се появяват допълнителни линии спътници, разположени симетрично в честотата от двете страни на аксиалните видове трептения. Появата на нови вида колебания с увеличаване на нивото на помпата се определя лесно чрез визуално наблюдение на структурата на радиационното поле. Можете също така да наблюдавате ефекта на корекцията на резонатора върху структурата на кохерираните режими на радиация.

Газовете в сравнение с кондензираните медии имат по-голяма хомогенност. Следователно, светлинният лъч в газа е по-малко изкривен и разкриван и излъчването на неонови лазерно хелий лазера се характеризира с добра стабилност на честотата и висока ориентация, която достига до границата, причинена от дифракционни явления. Дифракционна лимит за конфокален резонатор

,

където λ е дължината на вълната; д. 0 - диаметърът на светлинния лъч в най-тясната му част.

Радиацията на неонови лазерно хелий се характеризира с висока степен на монохрозарност и съгласуваност. Ширината на емисионните линии на такъв лазер е значително в "естествената" ширина на спектралния ред и за много порядъци по-малко от граничната степен на разделяне на съвременните спектрометри. Следователно тя се измерва чрез спектъра на събитията от различни режими в радиация. В допълнение, радиацията на този лазер е плоска поляризирана поради използването на прозорци, разположени в ъгъла на Brewster към оптичната ос на резонатора.

Доказателство за съгласуваността на радиацията може да бъде наблюдение на дифракционния модел, когато се прилагат емисиите, получени от различни точки на източника. Например, съгласуваност може да бъде оценена чрез наблюдение на смущенията от системата от няколко пукнатини. От опита на Jung е известно, че за да наблюдавате намесата на светлината от обичайния "класически" източник, радиацията първо преминава през един слот, а след това през два слота, и след това на екрана се образуват ленти за смущения. В случай на използване на лазерно излъчване, първият слот се оказва ненужен. Това обстоятелство е фундаментално. В допълнение, разстоянието между двата слота и тяхната ширина може да бъде несъизмерима, отколкото в класическите експерименти. Изходният прозорец на газовия лазер има два слота, разстоянието между което 2 а.. В случая, когато инцидентното излъчване е съгласувано, на екрана, разположен на разстояние д. От пукнатините ще се наблюдава картината на смущенията. В същото време, разстоянието между ивиците Максима (минимуми)

.