Система накачування - Студопедія
Активне середовище
В даний час як робоче середовище лазера використовуються різні агрегатні стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний, плазма. У звичайному стані матеріали для активного середовища знаходяться у стандартному своєму стані, а потім за допомогою певних реактивів атоми цих газів, рідин або твердих тіл наводяться у збуджений стан, і починається процес продукування світлового потоку. Для збудження атомів тих чи інших речовин активному середовищі лазера використовують електромагнітну хвилю. Важливою складовою роботи активного середовища лазера є квантове посилення (не забуваємо, що лазер є квантовим генератором). Коефіцієнт квантового посилення в лазері є основним показником для прорахунку роботи установки. У сучасних лазерних установках квантове посилення атомів відбувається до того часу, доки вихідна й вхідна енергія нічого очікувати збалансовані і рівні одне одному.
У звичайному стані кількість атомів, що знаходяться на збуджених енергетичних рівнях, визначається розподілом Больцмана:
тут N — число атомів, що у збудженому стані з енергією E, N0 — число атомів, що у основному стані, k — стала Больцмана, T — температура середовища. Інакше кажучи, таких атомів, які у збудженому стані менше, ніж у основному, тому ймовірність те, що фотон, поширюючись середовище, викличе вимушене випромінювання - мала проти ймовірністю його поглинання. Тому електромагнітна хвиля, проходячи речовиною, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання у своїй падає за законом Бугера.
тут I0 - початкова інтенсивність, Il - інтенсивність випромінювання, що пройшло відстань l в речовині, a1 -коефіцієнт поглинання речовини Оскільки експоненційна залежність, випромінювання дуже швидко поглинається.
У тому випадку, коли кількість збуджених атомів більша, ніж не збуджених (тобто у стані інверсії населення), ситуація прямо протилежна. Акти вимушеного випромінювання переважають над поглинанням, і випромінювання посилюється згідно із законом:
де a2 - Коефіцієнт квантового посилення. У реальних лазерах посилення відбувається до того часу, поки величина що надходить рахунок вимушеного випромінювання енергії стане рівної величині енергії, що втрачається в резонаторі. Ці втрати пов'язані з насиченням метастабільного рівня робочої речовини, після чого енергія накачування йде тільки на його розігрів, а також з наявністю безлічі інших факторів (розсіювання на неоднорідностях середовища, поглинання домішками, неідеальність дзеркал, що відображають, корисне і небажане випромінювання в навколишнє. ).
Для створення інверсного населення середовища лазера використовуються різні механізми. У твердотільних лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, фокусованим сонячним випромінюванням (так зване оптичне накачування) та випромінюванням інших лазерів. При цьому можлива робота тільки в імпульсному режимі, оскільки потрібні дуже великі щільності енергії накачування, що викликають при тривалому впливі сильне розігрів і руйнування стрижня робочої речовини. У газових та рідинних лазерах використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють у безперервному режимі. Накачування хімічних лазерів відбувається за допомогою протікання в їхньому активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населення виникає або безпосередньо у продуктів реакції, або у спеціально введених домішок з відповідною структурою енергетичних.рівнів. Накачування напівпровідникових лазерів відбувається під впливом сильного прямого струму через p-n перехід, і навіть пучком електронів. Існують і інші методи накачування (газодинамічні, що полягають у різкому охолодженні попередньо нагрітих газів; фотодисоціація, окремий випадок хімічної накачування та ін.).
а - трирівнева і б - чотирирівнева схеми накачування активного середовища лазера.
Класична трирівнева система накачування робочого середовища використовується, наприклад, у рубіновому лазері. Рубін є кристалом корунду Al2O3, легований невеликою кількістю іонів хрому Cr3+, які і є джерелом лазерного випромінювання. Через вплив електричного поля кристалічних ґрат корунду зовнішній енергетичний рівень хрому E2 розщеплений. Саме це уможливлює використання немонохроматичного випромінювання як накачування. При цьому атом переходить з основного стану з енергією E0 у збуджений з енергією E2. У цьому стані атом може бути порівняно недовго (порядку 10 -8 с), майже відразу відбувається безвипромінювальний перехід на рівень E1, на якому атом може знаходитися значно довше (до 10 -3 с), це так званий метастабільний рівень. Виникає можливість здійснення індукованого випромінювання під впливом інших випадкових фотонів. Щойно атомів, що у метастабільному стані стає більше, ніж у основному, починається процес генерації.
Слід зазначити, що створити інверсію населення атомів хрому Cr за допомогою накачування безпосередньо з рівня E0 на рівень E1 не можна. Це пов'язано з тим, що якщо поглинання та вимушене випромінювання відбуваються між двома рівнями, то обидва ці процеси протікають з однаковою швидкістю. Тому в даному випадку накачування може лишезрівняти населення двох рівнів, чого недостатньо для виникнення генерації.
У деяких лазерах, наприклад, у неодимовому генерація випромінювання відбувається на іонах неодиму Nd3+, використовується чотирирівнева схема накачування. Тут між метастабільним E2 та основним рівнем E0 є проміжний – робочий рівень E1. Вимушене випромінювання відбувається під час переходу атома між рівнями E2 і E1. Перевага цієї схеми полягає в тому, що в даному випадку легко виконати умову інверсної населеності, оскільки час життя верхнього робочого рівня (E2) на кілька порядків більше часу життя нижнього рівня (E1). Це значно знижує вимоги до джерела накачування. Крім того, подібна схема дозволяє створювати потужні лазери, що працюють у безперервному режимі, що дуже важливо для деяких застосувань. Однак подібні лазери мають істотний недолік у вигляді низького квантового ККД, яке визначається як відношення енергії випромінюваного фотона до енергії поглиненого фотона накачування (ηквантове = hνвипромінювання/hνнакачування)
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: