Елементи квантової фізики (стр. 13 из 13)
Досліди показали, що використання дворівневого середовища для побудови оптичних квантових генераторів не є ефективним. Перший квантовий генератор був створений за схемою трьох рівнів. Підсилюючим середовищем у ньому є кристал рубіну, який за хімічним складом є окисом алюмінію AL2O3 з домішками окису хрому Cr2O3 в кількості біля 0.03%. При цьому в кристалічній гратці Al2O3 певну кількість іонів Al3+ замінено на іони Cr3+. Активною речовиною, в якій здійснюються вимушені переходи в рубіні є іони Cr3+. Енергетична схема Cr3+ складається з трьох рівнів: основний стан W0 і дві широкі енергетичні смуги W1, і подвійний метастабільний рівень W2. Перехід з метастабільного рівня W2 в основний стан W0 супроводжується випромінюванням червоного світла з довжинами хвиль 6927 і 6943 А0. (рис.2.14)
W1W2
W0
Рис 2.14
Якщо рубін інтенсивно опромінюють світлом потужної імпульсної лампи (криптон-ксенонова лампа), то іони хрому переходять з основного стану W0 на рівні широкої смуги W1, звідки найімовірнішим є безвипромінювальний перехід іонів на подвійний рівень W2 з переданням частини енергії кристалічній гратці рубіну. Важливо те, що рівні W2 i W0 заселені інверсно. Головним в цьому випадку є різний час збудженого стану рівнів W1 (приблизно 10-7с.) і метастабільного стану W2 ( приблизно 10-3с.). За час 10-4с. на рівнях W2 відбувається нагромадження енергії, тобто створюється інверсний стан. Кожний фотон, який випадково може виникнути при самочинних переходах в принципі може ініціювати в активному середовищі лавину вимушених переходів W2 ® W0 . Однак спонтанні переходи носять випадковий характер, а ініційовані ними вимушені фотони випромінюються в різних напрямках. Таке випромінювання не може бути високо когерентним.
Для лазерної генерації використовують ще один елемент - оптичний резонатор. Оптичним резонатором в найпростішому випадку можуть бути два дзеркала, між якими розміщують рубіновий стержень. Одне із дзеркал є напівпрозорим. Всі ті фотони, які зародились і рухаються в напрямку осі лазера багаторазово відбиваються від дзеркал і в певний момент часу (кожні 10-3с.) разом з черговою лавиною вимушених фотонів при переході W2 - W0, випромінюються через напівпрозоре дзеркало у вигляді лазерного імпульсу. Потужність такого випромінювання в імпульсі може досягати 106 - 109 Вт, а густина потоку світлової енергії 104 - 107 кВт/м2.
Першим газовим лазером безперервної дії став гелій-неоновий лазер, який було створено в 1961р. В гелій-неоновому лазері накачку створюють в два етапи: гелій є носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання дає неон. На рис 2.15 показана енергетична схема гелій-неонового лазера.
W1
W2
W0
Рис. 2.15
За рахунок співударів з електронами атоми гелію переходять у збуджений стан W1. При зіткненнях збуджених атомів гелію з атомами неону останні також збуджуються і переходять на один з верхніх рівнів неону, розташованих поблизу відповідних збуджених рівнів гелію. Перехід атомів з цього рівня на один з нижчих рівнів W2 супроводиться випромінюванням лазера. Час збудженого стану He W1 становить близько 10-7с., час збудженого стану Ne W1 приблизно 10-3с. Різниця в часі дає можливість в певній мірі концентрувати світлову енергію. Довжина хвилі гелій-неонового лазера становить 6328
.Основні властивості лазерного випромінювання:
1. Високі часова і просторова когерентність. Час когерентності біля 10-3с., а довжина когерентності - 105м.
2. Висока монохроматичність (Dl=10-11м.)
3. Велика потужність випромінювання (до 109Вт)
4. Мала кутова розходженість в променях.
У більшості відомих на сьогодні лазерів ККД не перевищує 1%. Однак є лазери на основі неодиму з ККД біля 75% і потужний СО2 - лазер з ККД до 30%.
Лазери знайшли широке використання у різних галузях науки і техніки.
Серед прикладів використання лазерів слід відмітити слідуючи:
а) обробка металів, мікрозварювання, обробка алмазних виробів;
б) безкровний лазерний скальпель на основі СО2 - лазера в медицині;
в) створення високотемпературної плазми, можливість термоядерного синтезу в майбутньому;
г) різноманітна вимірювальна техніка, лазерні інтерферометри;
д) створення і відтворення голограм;
е) створення сучасних засобів зв’язку і т.д.