- •Министерство образования и науки рф
- •Глава 1. Уровни энергии. Взаимодействие элеКтромагнитного излучения с веществом
- •1.1. Многоэлектронные атомы
- •1.2. Молекулы
- •1.3. Электронные состояния в полупроводниках
- •1.4. Оптические переходы в полупроводниках
- •1.5. Люминесценция
- •1.6. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •1.7. Форма и ширина спектральной линии
- •Глава 2. Усиление и генерация
- •2.1. Характеристики неравновесных состояний квантовых систем. Отрицательная температура
- •2.2. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов
- •2.3. Возбуждение активного вещества (накачка)
- •2.5. Трехуровневые схемы
- •2.6. Четырехуровневая схема
- •2.7. Оптические резонаторы
- •2.8. Добротность резонатора.
- •2.9. Условие самовозбуждения и насыщение усиления
- •2.10. Свойства лазерного излучения
- •Глава 3. Лазеры
- •3.1. Классификация лазеров
- •3.2. Твердотельные лазеры
- •3.2.1. Рубиновый лазер
- •3.2.2. Лазеры на кристаллах и стеклах,
- •3.3. Жидкостные лазеры
- •3.4. Газовые лазеры
- •3.4.1. Атомарные газовые лазеры
- •3.4.2. Молекулярные лазеры
- •3.4.3. Эксимерные лазеры
- •3.5. Полупроводниковые лазеры.
- •3.5.1. Принцип работы полупроводниковых лазеров
- •3.5.2. Инжекционный лазер на гомопереходе
- •3.5.3. Инжекционный лазер на гетеропереходе
- •3.5.4. Лазеры на квантовых ямах
- •3.5.5. Квантово-какскадные лазеры
- •3.5.6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой
- •Глава 4. Некогерентные источники
- •4.1. Светодиоды
- •4.2. Спектр излучения светодиодов
- •4.3. Фотоприемники
- •4.4. Фотодиоды
- •Глава 5. Приборы управления световыми
- •5.1. Электрооптические, магнитооптические и пьезооптические эффекты
- •5.2. Оптические модуляторы
- •5.3. Дефлекторы
- •Список литературы
- •Оглавление
- •Глава 1. Уровни энергии. Взаимодействие
- •Глава 2. Усиление и генерация электромагнитного
- •Глава 3. Лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
- •Глава 4. Некогерентные источники излучения.
- •Глава 5. Приборы управления световыми потоками . . . . . . 97
3.4. Газовые лазеры
Газовый лазер представляет собой лазер, в котором активной средой являются газы, пары или смеси газов или паров. По способу накачки газовые лазеры условно делятся на газоразрядные, газодинамические и химические. Газоразрядные лазеры в свою очередь делятся на три группы: атомарные, ионные, молекулярные.
Газовые лазеры обладают наивысшей монохроматичностью и когерентностью (Δ/max=10-6…10-9). Большая оптическая однородность газа позволяет изготавливать лазеры больших размеров (L = 0,3…2 м; d = 3…30 см). Это определяет очень малую расходимость лазерного излучения (изл < 10/), а также большие значения мощности излучения. Так как основная доля энергии газового разряда затрачивается на ионизацию атомов рабочего газа и лишь малая часть идет на создание инверсной заселенности уровней, то их КПД не велик ( 1…10%).
В настоящее время наибольшее распространение получили: гелий-неновые лазеры (активные частицы – нейтральные атомы), аргоновые лазеры (активные частицы – ионы газа) и лазеры на углекислом газе (активные частицы – молекулы газа).
Мощность излучения в непрерывном режиме у гелий-неоновых лазеров составляет Pизл = 10-4…10-1Вт при 0,5%. Аргоновые лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Наибольшая мощность излучения приходится на изл = 0,488 мкм и изл = 0,515мкм. Мощность излучения в непрерывном режиме у этих лазеров составляет Pвых =10-3…102 Вт.
Лазеры на углекислом газе СО2 генерируют излучение в дальней инфракрасной области. Наибольшая мощность излучения наблюдается при длинах волн = 10,6 мкм, = 5,06 мкм. Следует отметить, что = 10,6 мкм, соответствует окну прозрачности атмосферы, что позволяет использовать этот лазер в оптической локации. Эти лазеры отличаются высоким коэффициентом полезного действия ( 10…30%) и способны обеспечить мощность излучения в непрерывном режиме Pизл = 10-1…104Вт, а в импульсном - до мегаватт.
3.4.1. Атомарные газовые лазеры
В атомарных газовых лазерах используются нейтральные атомы, находящиеся в виде газа или пара. Гелий-неоновый лазерявляется типичным и наиболее значимым среди всех лазеров на инертных газах. Генерация здесь осуществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для повышения эффективности накачки. Инверсия населенностей между рабочими уровнями в нем осуществляется с помощью газового разряда по четырехуровневой схеме. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми свободными электронами. Малая плотность газов позволяет лучу многократно проходить между зеркалами резонатора, не искажаясь.
Рис. 3.4. Упрощенная схема энергетических уровней лазера.
В лазере рабочим веществом служит нейтральные атомы неона. Инверсия населенностей осуществляется за счет первоначального возбуждения атомовиз основногосостояния (оба электрона атомаHe находятся в состоянии 1s) на уровни и, образованные электронной конфигурациейии расположенные выше основного состояния на 19,82 и 20,61 эВ, соответственно. Состоянияиявляются нестабильными с временами жизни 10-4 с и 5.10-6 с, соответственно. Эти состояния атома гелия точно совпадают с состояниями 4s и 5s возбужденных атомов (рис. 3.4). Поскольку уровнииявляются метастабильными, атомыв этих состояниях оказываются весьма эффективным средством для возбуждения 4s и 5s уровней атомов .
Основное состояние атома отвечает замкнутой электронной конфигурации. Возбужденные состояниясоответствуют переходу одного электрона 2р в s- (3s, или), илир- (3р или 4р) состояния. Время жизни в состояниях и(мкс) на порядок превышает время жизни состояния 3р (мкс). Посколькуи-уровни атомамогут быть населены достаточно сильно, они хорошо подходят на роль верхних уровней лазерных переходов. Это позволяет получить инверсную населенность междуилиуровнями и 3р или 4р уровнями, которые можно рассматривать как нижние лазерные уровни. При этом гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона. Неон нельзя возбудить прямым переходом на уровни ииз-за долго живущего метастабильного уровня 3s.
В лазере работа осуществляется не по четырехуровневой схеме, а по трехуровневой схеме: накачка осуществляется на верхний рабочий лазерный уровень. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов (→4р, →3р и →3р ). Им соответствуют длины волн 3,39; 0,63 и 1,15 мкс. Наибольшее усиление достигается на переходе →4р.
Опустошение нижних лазерных уровней происходит путем излучательных переходов в 1s- состояние, где происходит накопление частиц. Переход атома из 1s- состояние в основное состояние происходит при его столкновении со стенками сосуда, т.е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине работа лазера критична к диаметру трубки.
Лазерная генерация может быть получена на других нейтральных атомах, в том числе инертных газов (He, Ne, Kr, Aг, Xe). В связи с низким КПД и малой выходной мощностью они не получили широкого распространения.
Ионные лазеры. Ионные лазеры имеют в качестве рабочих веществ ионизированные инертные газы, а также ионы фосфора, серы, хлора и т.д. Наибольшее распространение получил аргонный лазер. Он генерирует в сине-зеленой части спектра на длинах волн 0,488 мкм и 0,514 мкм. Мощность излучения достигает кВт. Существенный недостаток: очень низкий КПД (0,1-0,01%).