Робота - лазер - Велика Енциклопедія Нафти та Газа, стаття, сторінка 2
Робота - лазер
При роботі лазера в імпульсному режимі генерація починається з моменту, коли випромінювання лампи накачування доводить інверсію до порогового значення. Тому подальше збільшення інверсії обмежується конкуренцією двох процесів, інтенсивністю накачування та генерацією. Значно більшу інверсію можна отримати, якщо не допускати виникнення генерації доти, доки під впливом накачування не буде досягнуто максимальної перенаселеності. [17]
Чи можлива робота лазера за дворівневою схемою активного середовища. [18]
Описаний режим роботи лазера називають режимом вільної генерації. Вільна генерація починається після спалаху лампи накачування і триває близько 1 мс. [19]
Елементарний цикл роботи лазера включає два послідовні проходження через активне середовище та відповідні відбиття від дзеркал. Втрати енергії можуть бути враховані ефективними коефіцієнтами відбиття pj і р2 на дзеркалах, причому вони враховують не тільки відбиття від дзеркал (загалом кажучи, різні, оскільки через одне з них з лазера виходить випромінювання), а й інші втрати, про які йшлося вище. [20]
Фізичною основою роботи лазера є явище індукованого випромінювання. [21]
Розглянемо принцип роботи лазера дещо докладніше. Важливо те, що фотон, породжений такого стимульованим ( вимушеним) випромінюванням, знаходиться у фазі з тим фотоном, який стимулював випромінювання. [22]
Розглянутий режим роботи лазера одночастотний, якщо умова генерації виконано тільки максимум смуги люмінесценції. Однак така ситуація реалізується лише поблизу порога генерації, коли величина неоднорідного розширення перевищує величину однорідного розширення у кілька разів. [23]
Перша умова роботи лазера полягає в тому, що більшу частину молекул треба перевести в більш високий стан, ніж нижчий стан (звичайно електронний) атома або молекули. Найнижчим станом часто, але не обов'язково є основний стан. Ця інверсія заселеності рівнів порівняно з нормальним больцманівським розподілом зазвичай досягається шляхом накачування за допомогою інтенсивного спалаху світла та переведення системи на ще більш високий рівень. Потім система швидко переходить на випромінюючий рівень, який відповідає метастабільному стану. Уявімо собі циліндричний стрижень речовини, в якому здійснено інверсну заселеність рівнів. Пучок світла відповідної довжини хвилі, проходячи через стрижень, не послаблюватиметься, як завжди, при поглинанні. [24]
Принциповою основою роботи лазерів є ефект вимушеного (індукованого) випромінювання, передбачений А. [25]
Зазвичай під час роботи лазера в імпульсному режимі з того часу, як випромінювання лампи накачування доведе інверсію до порогового значення, починається генерація. Тому величина інверсії обмежується конкуренцією двох процесів, інтенсивністю накачування та генерацією. Можна було б отримати значно більшу різницю населеностей, якби генерація не виникла доти, доки не буде досягнуто максимальної перенаселеності. Ця умова може бути виконана при зменшенні добротності резонатора протягом дії імпульсу накачування до таких значень, коли граничні умови виникнення коливань не виконуватимуться. Тоді в процесі накачування число збуджених атомів зросте до деякого значення N значно перевищує порогове значення. [27]
У безперервному режимі роботи лазера потужність лазерного випромінювання на частоті генерування неперетворюється на нуль при заданому інтервалі часу, значно перевищує період коливань, тобто. такі лазери дають безперервне випромінювання протягом багато часу. [28]
Щоб зрозуміти особливості роботи лазера, розглянемо як приклад лазер на кристалі рубіну. Припустимо, що інверсна заселеність (накачування) досягається з допомогою інтенсивного джерела світла, якого підводиться енергія близько 5 - 103 дж. Лазер випромінює світло з довжиною хвилі 6943 А у вигляді короткого (-5-10-3 сек) спалаху з енергією 2 дж. Якщо середня потужність пучка близько 0 4 кет (2 дж / Ь - Ю-3 сек), то його інтенсивність дорівнюватиме 0 4 квт / 0 1 мм2 4 102 кет / см2 ж х 1 5 - 1024 фотон / см2 - сек. Звичайно, загальна кількість фотонів мало, оскільки спалах триває лише 10 - 3 сек. Цей недолік, однак, компенсується тим, що спалах можна повторити багато разів поспіль. [29]
Цікавим режимом роботи лазера є так званий режим модуляції добротності резонатора або генерації гігантських імпульсів. Розглядаючи цей режим роботи лазера, зауважимо спочатку, що у звичайному режимі роботи лазера (як і режимі безперервної генерації, і у імпульсному режимі генерації) інверсна населеність неспроможна набагато перевищувати певне граничне значення. Дійсно, лазерна генерація починається після досягнення порогового значення інверсії населеності, завдяки чому запобігає її подальшому зростанню. Звідси випливає, що в нормальному режимі роботи лазера посилення за один прохід у резонаторі не може перевищити рівень втрат за час одного проходу. Припустимо, що всередині резонатора встановлений непрозорий екран. Дія екрану полягає у виключенні умов виникнення лазерної генерації, тоді інверсна населеність може досягти дужевисоких значень, значно перевищують нормальний пороговий рівень. [30]