Описание активной среды гелий неонового лазера. Гелий-неоновый лазер. Многими исследователями было показано, что энергия, принесенная лазерным излучением, "востребуется" в том случае, когда это обусловливается нуждами саморегуляции состояния человека. Это

Газовый лазер представляет собой прибор, относящийся к оптическим квантовым генераторам.

Основным элементом гелиево-неонового лазера непрерывного действия является газоразрядная трубка Т (рисунок 1), имеющая накаливаемый катод К и анод А. Трубка наполнена смесью гелия (Не ) (парциальное давление Не 1 мм рт. ст) и неона (Ne ) (парциальное давление Ne 0,1 мм рт. ст). Внутренний диаметр трубки 1...10 мм, длина от нескольких десятков сантиметров до 1,5...3 м. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми окнами Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Для линейно поляризованного излучения с электрическим вектором в плоскости падения коэффициент отражения от них равен нулю. Поэтому брюстеровские окна обеспечивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают потери энергии при распространении света из активной зоны к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами В 1 и В 2 с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в рабочем спектральном интервале и практически не поглощают свет. Пропускная способность зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 1...2%, другого - менее 1%.

На электроды трубки подается напряжение 1...2 кВ. При накаленном катоде и указанном напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться тлеющий электрический разряд. Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей уровней в неоне. Типичная сила тока в газовом разряде - десятки миллиампер.

Видимое излучение разряда дает неон, но необходимое для этого возбуждение атомов осуществляется с помощью атомов гелия. Упро-щенная схематическая картина энергетических уровней атомов Не и Ne показана на рисунке 2.

За счет соударений с электронами атомы Не переходят в возбужденное состояние (2 3 S и 2 1 S ). Эти уровни метастабильны с энергией 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень по правилам отбора запрещен, т.е. происходит с очень малой вероятностью.

Рисунок 2

Время жизни атома на уровнях 2 1 S и 2 3 S велико в сравнении с временем жизни на обычных возбужденных уровнях, поэтому на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов Не . Но уровни неона 3S и 2S практически совпадают с метастабильными уровнями 2 1 S и 2 3 S гелия. Благодаря этому, при столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne происходят переходы атомов Ne в возбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомов гелия атомам неона.

Процесс возбуждения атомов Ne изображен горизонтальными пунктирными стрелками (рисунок 2). В результате концентрации атомов неона на уровнях 3S и 2S сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность энергетических уровней по отношению к уровню 2Р . В трубке создается активная среда, состоящая из атомов Ne , обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней электронов.

Спонтанное излучение отдельных возбужденных атомов приводит к распространению в активной среде фотонов, соответствующих электронным переходам в атомах неона с уровней 3S на уровни 2P .

Под действием электромагнитного поля распространяющихся в разряде фотонов (сначала спонтанно излученных возбужденными атомами неона) происходит индуцированное когерентное излучение других возбужденных атомов неона, т.е. активной среды, заполняющей трубку лазера. Массовое нарастание этого процесса обеспечивается многократным прохождением излучения между зеркалами В 1 и В 2 резонатора, что приводит к формированию мощного индуцированного потока направленного когерентного излучения лазера. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением поперечного сечения пучка, т.е. только с волновыми свойствами света. Это важнейшее обстоятельство отличает лазерный источник от любого другого источника света.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Газовый лазер ЛГ78.

2 Оптическая скамья.

3 Блок питания.

4 Дифракционная решетка.

5 Стеклянные пластины с напыленными между ними микрочасти-цами.

6 Экран с миллиметровой шкалой.

5 Работа с газовым лазером

Включить тумблер "Сеть". Переключатель "Регулировка тока" установлен в рабочем положении преподавателем или лаборантом. Категорически запрещается переводить его в другое положение.

Во время работы с лазером необходимо помнить, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения .

Поэтому при работе с лазером его свет наблюдается после отражения на экране с рассеивающей поверхностью.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1

Измерение длины волны излучения лазерапри помощи

дифракционной решетки

Направленность и пространственная когерентность излучения лазера позволяет применять его в ряде измерений без предварительной коллимации.

Установка для проведения данного упражнения включает лазер, рейтер с дифракционной решеткой, экран с миллиметровой шкалой для наблюдения дифракционной картины (рисунок 3).

Рисунок 3

Дифракционная решетка устанавливается перпендикулярно к оси светового луча, выходящего из лазера. Для этого световой блик, отраженный от плоскости решетки, необходимо провести точно на середину выходного окна лазера, т.е. добиться совпадения выходящего из лазера светового пучка и его отражения от плоскости решетки.

Ввиду монохроматичности излучения лазера, на экране наблюдается множество неперекрывающихся дифракционных спектров различных положительных и отрицательных порядков. Эти спектры образуют на экране ряд красных полосок, повторяющих сечение первичного светового пучка, падающего на решетку.

Экран устанавливается перпендикулярно к пучку света, и порядки спектров располагают симметрично относительно нуля шкалы экрана.

Под расстоянием между дифракционными спектрами и спектром нулевого порядка надо понимать расстояние между серединами наблюдаемых спектров (полосок).

Расчет длины волны ведется по формуле

где d - постоянная решетки (в нашем случае d = 0,01 мм);
- угол дифракции;

k - порядок спектра;

l - длина волны лазерного излучения.

Рисунок 4

Угол дифракции определяется из соотношения

(2)

где - расстояние между левым и правым максимумами порядка k ;

L - расстояние от плоскости дифракционной решетки до плоскости экрана (рисунок 4).

Подставляя (2) в (1), получаем

Порядок выполнения упражнения 1

1 Измерить расстояние в спектре первого (k = 1), второго (k = 2) и третьего (k = 3) порядков при различных расстояниях экрана от дифракционной решетки.

2 Результаты измерений занести в таблицу 1.

3 Вычислить длину волны, соответствующую излучению лазера.

Таблица 1

Обработка экспериментальных данных

1 Вычислить длину волны для каждого измерения по формуле (3).

2. Вычислить среднее значение где n - число измере-ний.

3 Вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений

5 Задать значение надежности a (по указанию преподавателя).

6 Определить по таблице Стьюдента и вычислить границы доверительного интервала

7 Вычислить относительную погрешность Значение найденной величины l использовать в расчетах, необходимых в следующем упражнении.

Упражнение 2

Фраунгоферова дифракция лазерного излучения

на малых круглых частицах

Монохроматический, хорошо коллимированный и пространственно когерентный луч лазера дает возможность непосредственно наблюдать дифракцию света на круглых частицах.

Для того, чтобы углы дифракции на частицах были значительными, размер частиц должен быть малым. Однако, если в световой пучок поместить одну малую частицу, то даваемую ей на удаленном экране дифракционную картину наблюдать будет трудно, т.к. картина будет проектироваться на светлый фон, созданный частью светового пучка, не испытавшей дифракцию.

Для получения хорошо видимой дифракционной картины нужно поместить на пути светового пучка множество хаотически расположенных одинаковых частиц. В самом деле, поскольку исследуется фраунгоферова дифракция, любая отдельная частица, независимо от ее положения в плоскости поперечного сечения светового пучка, дает одинаковое распределение дифрагированного света.

При одновременном присутствии в сечении пучка многих частиц, угловое распределение дифрагированного света, создаваемого каждой частицей в отдельности, не нарушается, если нет систематического интерференционного эффекта между световыми пучками, дифрагировавшими на разных частицах.

Если в плоскости поперечного сечения светового пучка частицы расположены хаотически, то в силу равной вероятности всех значений фаз волн, дифрагированных по различным направлениям, складываться будут только интенсивности световых пучков, дифрагированных на разных частицах. Дифракционная картина от N частиц усилится по интенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной отдельной частицы, не изменяя своей структуры. Это обстоятельство и используется в настоящем эксперименте.

Установка остается той же, что и в упражнении 1, но вместо дифракционной решетки на рейтере устанавливается оправка со стеклянными пластинами, между которыми напылены частички ликоподия (споры растения плауна), представляющие собой шарики, приблизительно одинакового малого размера.

На экране после включения лазера можно будет наблюдать систему концентрических светлых и темных дифракционных колец, окружающих светлый круг.

Угловые радиусы a i темных колец подчиняются соотношениям:

Угловые радиусы a i светлых колец

(5)

где r - радиус частицы, вызвавшей дифракцию света.

Значения sina i рассчитываются из условия

(6)

где D i - линейный диаметр соответствующего дифракционного кольца на экране;

L - расстояние от стеклянной пластины до экрана.

Порядок выполнения упражнения 2

и обработка экспериментальных данных

1 Измерить диаметры первого (D 1) и второго (D 3) темных колец при различных расстояниях L . Результаты занести в табл. 2.

2 Построить график зависимости D = f (L ) для каждого из дифракционных минимумов, т.е. D 1 = f (L )и D 3 = f (L ).

3 Определить тангенсы углов дифракции, соответствующих первому и второму темному кольцу, используя формулу (6), и среднее значение радиуса частицы с помощью соотношений (4).

4 Определить погрешность измерений. Записать окончательный результат в виде r = <r > ± r > (м).

5 Сделать выводы по работе.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

2. Принцип действия лазеров

3. Газовые лазеры

4. Гелий-неоновый лазер

5. Гелий-неоновый лазер типа ЛГ-36а

6. Применение гелий-неонового лазера в медицине

7. Некоторые сведения о современных гелий-неоновых лазерах

8. Список используемой литературы

1. Введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы - это современные источники когерентного излучения. Их создание явилось одним из самых важных достижений физики ХХ века. Лазеры нашли достаточно широкое применение почти во всех областях науки, а так же техники, медицине и военном деле.

Окунёмся немного в историю:

Мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в начале ХХ века никому не пришла в голову - ведь ученые ещё не подозревали о его существовании.

В 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию, то есть когерентно вынуждающему излучению. А спустя десять лет Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.

Первые эксперименты.

Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно.

Одной из попыток создания лазера послужила достаточно серьезная работа, связанная с усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения. Этой работой стала докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными. Причиной этого стало отсутствие резонатора.

Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.

Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Он понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. В апреле 1954-го Таунс и Гордон запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером.

В Лаборатории колебаний Физического института АН СССР этой же темой занимались старший научный сотрудник Александр Прохоров и его аспирант Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, работающего на пучке молекул все того же аммиака. В 1954 году, вскоре после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и Басов опубликовали статью, где были приведены теоретические обоснования работы такого прибора. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров за эти исследования были удостоены Нобелевской премии.

От микроволн к свету.

Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс совместно с Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.

Сам термин «лазер» возник гораздо раньше. Эту английскую аббревиатуру, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения», хотя лазерами все же принято называть не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, который совершенно самостоятельно провел детальный анализ методов получения стимулированного излучения оптического диапазона.

Первый работающий лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, который в качестве активной среды выбрал рубин. Мейман понял, что разделенные большими промежутками атомы хрома могут «светить» не хуже атомов газа. Для получения оптического резонанса он напылил тонкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по специальному заказу изготовила фирма Union Carbide, на что ей понадобилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую яркие световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч. А в декабре того же года в Лабораториях Белла заработал гелий-неоновый лазер, созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом.

Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры.

Как уже было выше сказано, лазеры вошли в нашу жизнь, и обосновались в ней достаточно неплохо, занимая хорошее положение во многих областях науки и техники.

В качестве рабочих тел современных лазеров используются вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях: газы, жидкости, твёрдые тела.

Я хочу остановиться на газовых лазерах, и более подробно изучить лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона.

действие гелий неон лазер медицина

2. Принцип действия лазеров

Мы знаем, что, если атому, находящемуся на основном уровне W 1 , сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.1б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии W m на уровень энергии W n , то частота излучаемого (или поглощаемого) света

н mn = (W m - W n)/h.

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: возбужденные атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с параметрами внешней волны, действующей на атом. Происходит как бы копирование внешней волны (рис.1в). Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 г. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем генерировать и усиливать когерентный свет.

Чтобы осуществить это практически, нужно выполнить три условия.

1. Необходим резонанс - совпадение частоты падающего света с одной из частот н mn спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа, т.к. спектры излучения одинаковых атомов абсолютно идентичны.

2. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне W m , происходит также резонансное поглощение атомами, населяющими нижний уровень W n . Атом, находящийся на нижнем уровне W n , поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень W m .

Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света.

Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N m было больше числа атомов на нижнем уровне N n , между которыми происходит переход.

Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, т.к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

3. Третья проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того, чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, так сказать, на "размножение", вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами одно из которых имеет коэффициент отражения около 99.8%, а второе (выходное) - около 97-98%, что может быть достигнуто только за счет применения диэлектрических покрытий. Световая волна, испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома, усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до выходного зеркала, свет частично пройдет сквозь него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного выходного зеркала, дает начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного излучения.

При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.

Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего - еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.

Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для создания источника когерентного света:

· нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

· рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

· усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.

При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером.

3. Газовые лазеры

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла.

Особенности газообразной активной среды.

Среда в газовых лазерах имеет несколько замечательных свойств. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном диапазоне от вакуумной УФ области спектра до волн ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения. При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лезеров.

Как известно, для выполнения условий самовозбуждения усиления в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн.

Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твёрдых тел.

Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населённостей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, оптическая накачка (лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В лазере, который будет более подробно рассмотрен далее в этой работе, возбуждение осуществляется электрическим разрядом.

4. Гелий-неоновый лазер

Лазер на смеси гелия с неоном был первым лазером непрерывного действия, в котором излучение с длины волны 1,15 мкм возникает в результате переходов между уровнями 2S и 2P в атомах Ne.

Позднее для получения лазерной генерации на л=0,6328 мкм и на л=3,39 мкм использовались другие переходы в Ne.

Действие можно объяснить с помощью Рис.3 В смеси газа, содержащей обычно гелий (1 мм рт. ст.) и неон (0,1 мм рт. ст.), создается разряд постоянного тока или высокочастотный разряд.

Рис.3

Электроны, ускоренные электрическим полем, переводят атомы гелия в различные возбужденные состояния. При нормальной каскадной релаксации возбужденных атомов к основному состоянию многие из них накапливаются на долгоживущих метастабильных уровнях 2(3)S 2(1)S время жизни которых составляет соответственно 10 -4 и 5*10 -6 секунд соответственно. Так как эти метастабильные уровни почти совпадают по энергии с уровнями 2Sи 3S в Ne, они могут передавать возбуждение атомам Ne. Находящимися в основном состоянии, и обмена с ними энергией. Небольшая разница в энергии (?400 см -1 в случае 2S уровня) переходит в кинетическую энергию атома после столкновения. Таков основной механизм накачки в He-Ne-системе.

1. Генерация на длине волны 0,6328 мкм. Верхний лазерный уровень-это один из уровней 3S неона, тогда как нижний принадлежит группе 2Р. Нижний 2Р-уровень распадается радиационно с постоянной с постоянной времени около 10 -8 с. в долгоживущее по времени 1S-состояние. Это время много короче времени жизни (10 -7 с.) верхнего лазерного уровня 3S. Таким образом, условие для инверсии населенности в 3S-2Р-переходе выполняется.

Важное значение имеет уровень 1S. Атомы задерживаются на нём при радиационных переходах с нижнего лазерного уровня 2Р из-за большого времени жизни этого уровня. Атомы в 1S-состоянии сталкиваются с электронами разряда и возбуждаются обратно на нижний лазерный уровень 2Р. Это уменьшает инверсию. Атомы в состояниях 1S релаксируют обратно в основное состояние, главным образом, при столкновениях со стенкой разрядной трубки. По этой причине усиление на переходе 0.6328 мкм увеличивается с уменьшением диаметра трубки.

2. Генерация на длине волны 1.15 мкм. Верхний лазерный уровень 2S неона накачивается при резонансных (т.е. с сохранением внутренней энергии) столкновениях с метастабильным 2 3 S-уровнем гелия. Нижний уровень тот же, что и при генерации на переходе 0,6328 мкм, что также приводит к зависимости населенности 1S-уровня неона от столкновений со стенками.

3. Генерация на длине волны 3,39 мкм. Она обусловлена 3S-3Р-переходами в атомах неона. Теперь верхний лазерный уровень тот же, что и при генерации, на длине волны 0.6328 мкм. На этом переходе оптическое усиление для небольшого сигнала 1 достигает примерно 50 дБ/м. Это большое усиление частично объясняется коротким временем жизни уровня 3Р, благодаря которому и возможно создание большой инверсии. Из-за большого усиления на этом переходе генерация на длине волны 3,39 мкм препятствует генерации на длине волны 0,6328 мкм. Это обусловлено тем, что пороговые условия вначале достигаются для перехода 3,39 мкм. Как только это происходит, насыщение усиления начинает мешать любому дальнейшему увеличению населенности 3S-уровня. В лазерах с длиной волны 0,6328 мкм с этим борются, вводя в оптический пучок дополнительные элементы, например стеклянные или кварцевые окошки Брюстера, которые сильно поглощают излучение с длиной волны 3,39 мкм и пропускают-с 0,6328 мкм. В этом случае уровень пороговой накачки для генерации на л=3,39 мкм становится выше уровня для генерации на 0,6328 мкм.

Речь идет об усилении очень слабой волны, распространяющейся через область разряда внутри лазерного резонатора, при одном проходе. В лазере усиление на проход уменьшается за счет насыщения, пока оно не становится равным потерям на проход.

5. Г елий-неоновый лазер типа ЛГ-36а

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке Рис.4, длина которой может достигать 0,2-1 м.

Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению объема рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов. Что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшении потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол i Б =arctg n (n-показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюстера. Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом i Б широко применяется в лазерной технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается в лазере и является преобладающим.

Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой около 30 МГц при мощности в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000-2000 В, получаемых с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка снабжается подогревным или холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. Это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1-2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинствами гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8-10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки - невысокий к. п. д. (0,01-0,1%) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать и в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд.

6. Применение ге лий-неонового лазера в медицине

Как уже сказано выше гелий-неоновый лазер имеет широкое применение. Я же, в этой работе, хочу рассмотреть применение данного лазера в медицине. А именно, использование гелий-неонового лазера для восстановления и повышения работоспособности человека.

Лазеры в медицине применяют более 20 лет. За этот период исследования с использованием лазерного излучения оформились в специализированную область медико-биологической науки, которая включает два основных направления: разрушение тканей патологических очагов сравнительно мощным лазерным излучением и биостимуляционные воздействия низкоэнергетическим излучением.

Исследования показали, что гелий-неоновый лазер оказывает на живой организм стимулирующее действие, способствует очищению ран от микроорганизмов и ускоряет эпителизацию, улучшает функциональные показатели центральной нервной системы и мозгового кровообращения у больных гипертонической болезнью; вызывает прекращение болей или их уменьшение у больных остеохондрозом позвоночника.

Многими исследователями было показано, что энергия, принесенная лазерным излучением, "востребуется" в том случае, когда это обусловливается нуждами саморегуляции состояния человека. Это дает право считать, что лазерное излучение имеет не раздражающий, возбуждающий, а нормализующий недопинговый характер.

Рассмотрим более подробно исследование, проводимое кандидатом медицинских наук, доцентом Т.И. Долматовой, Г.Л. Шрейберг, кандидатом биологических наук, доцентом Н.И. Близнец Московской государственной академии физической культуры Всероссийского научно-исследовательского института физической культуры. Они локально воздействовали лазерным лучом на биологически активные точки (БАТ) на поверхности тела. Примененяли гелий-неоновый лазер на БАТ в спорте для изучения процессов восстановления после физических нагрузок и последствия излучения. Лазерное излучение проводилось аппаратом АГ-50, длина волны которого 632 А, мощность излучения - 10 мВ, площадь облучения - 0,5 см2; точки облучения - "хе-гу" 2 , "джу-сань-ли", время облучения - 2,0 мин на каждую симметричную точку, общее время экспозиции - 10 мин, процедура осуществлялась ежедневно в течение 10 дней.

Спортсмены облучались гелий-неоновым лазером до физической нагрузки. На 5-й день они отмечали лучшее восстановление после нагрузок, так же лучше переносили тренировку с большими весами. К 10-му дню воздействия гелий-неонового лазера самочувствие спортсменов оставалось хорошим, они тренировались с удовольствием, нагрузки переносили хорошо. Так же воздействовали лазером в период восстановления, сразу после нагрузки, исследования показали, что более быстро, чем без воздействия излучения происходило восстановление, расслабление, хороший сон, наблюдались урежение пульса и понижение максимального и минимального артериального давления.

Таким образом, у всех спортсменов, получавших облучение гелий-неонового лазера, более выражено повышение спортивной работоспособности за цикл тренировочных занятий, так же восстановление протекало значительно лучше, чем без воздействия излучения.

Хе-гу точка расположена на верхушке складки между сжатыми указательным и большим пальцами рук.

7. Некоторые сведения о сов ременных гелий-неоновых лазерах

Наиболее распространены отпаянные плазменные He-Ne трубки со встроенными зеркалами и высоковольтными источниками питания. Лабораторные He-Ne лазеры со внешними зеркалами так же существуют и дорого стоят.

Длины волн :

· Красный 632,8 нм (выглядит на самом деле как оранжево-красный) сейчас самый распространенный.

· Оранжевый 611,9 нм

· Желтый 594,1 нм

· Зеленый 543,5 нм

· ИК 1523,1 нм (они так же существуют, но они менее эффективны и поэтому более дороги при равной мощности луча).

Качество луча:

Исключительно высокое. Выходное излучение хорошо сколлимировано без дополнительной оптики и имеет прекрасную длину когерентности (от 10 см до нескольких метров и более). Большинство маленьких трубок работают в одной поперечной моде (ТЕМ00).

Выходная мощность:

От 0,5 до 35 мВт (самые распространенные), существуют на 250 мВт и более.

Некоторые применения:

Заводская настройка и измерения; подсчет и анализ клеток крови; медицинская наводка и наблюдение во время операций (для лазеров большой мощности); печать, сканирование и оцифровка высокого разрешения; сканеры штрих-кода; интерференционная метрология и измерение скорости; бесконтактные измерения и мониторинг; общая оптика и голография; лазерные шоу; Laser Disk и другие накопители данных.

Цена:

От 25 до 5000 долларов и более в зависимости от размера, качества, состояния (новый или нет).

Достоинства:

Недорогой, детали широко доступны, надежный, долго работающий.

8. Список используемой литературы

1. Н. В. Карлов Лекции по квантовой физике. 314с.

2. А. С. Борейшо Лазеры: Устройство и Действие. Санкт-Петербург 1992. 214с.

3. А. Ярив Введение в оптическую электронику. “Высшая школа” Москва 1983. 398 с.

4. Ю. В. Байбородин Основы лазерной техники. “Высшая школа” 1988. 383с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общая характеристика гелий-неонового лазера, его проектирование и расчет основных параметров: коэффициент усиления активной среды, оптимальный ток, длина резонатора, радиус пучка в перетяжке, эффективная площадь сечения пучка, мощность накачки и КПД.

контрольная работа , добавлен 24.07.2013


Основа принципа работы лазеров. Классификация лазеров и их основные характеристики. Использование лазера при маркировке товаров. Способ возбуждения активного вещества. Расходимость лазерного луча. Диапазон длины волн. Области применения лазера.

творческая работа , добавлен 24.02.2015


Теория атомно-абсорбционных измерений: излучение и поглощения света, понятие линии поглощения и коэффициента поглощения, контур линии поглощения. Принцип работы лазера. Описание работы гелий-неонового лазера. Лазеры на органических красителях.

реферат , добавлен 03.10.2007


Создание оптического квантового генератора или лазера - великое открытие физики. Принцип работы лазеров. Вынужденное и спонтанное излучение. Газовый, полупроводниковый непрерывного действия, газодинамический, рубиновый лазер. Сферы применения лазеров.

презентация , добавлен 13.09.2016


История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.

реферат , добавлен 17.12.2014


Лазер - квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения. Схема устройства лазера и принцип его действия. Временные режимы работы прибора, частота поступления энергии. Применение лазеров в различных отраслях науки и техники.

реферат , добавлен 28.02.2011


Понятие, классификация лазеров по признакам, характеристика основных параметров, их преимущества. Причины конструкции лазеров с внешним расположением зеркал. Описание физических процессов в газовых разрядах, способствующих созданию активной среды.

реферат , добавлен 13.01.2011


Характеристики полупроводниковых материалов и источников излучения. Соединение источника с волокном. Конструкции одномодовых лазеров, особенности РБО-лазеров. Расчет параметров многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо. Светоизлучающие диоды (СИД).

реферат , добавлен 11.06.2011


Устройство и назначение простейшего твердотельного лазера; их изготовление из рубинов, молибдатов, гранатов. Ознакомление с оптическими свойствами кристаллов и особенностями генерации света. Определение энергетических характеристик импульсного лазера.

реферат , добавлен 12.10.2011


Ознакомление с историей создания генераторов электромагнитного излучения. Описание электрической схемы и изучение принципов работы полупроводникового лазера. Рассмотрение способов применения лазера для воздействия на вещество и для передачи информации.

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.

Рассмотрение методов создания инверсии мы будем проводить на примерах лазеров, представляющих наибольший интерес.

Начнем с газовых лазеров. Газообразность их активной среды приводит к ряду замечательных следствий. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном интервале от вакуумной УФ области спектра до волн далекого ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн, соответствующем изменению частоты более чем на три порядка.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения.

При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лазеров. В результате в излучении газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и направленность.

Составляющие газ частицы взаимодействуют друг с другом в процессе газокинетических столкновений. Это взаимодействие относительно слабо; поэтому оно практически не влияет на расположение урдвней энергии частиц и выражается только в уширении соответствующих спектральных линий. При низких давлениях столкновительное уширение мало и не превышает доплеровскую

ширину. Вместе с тем увеличение давления приводит к росту столкновительной ширины (см. лекцию вторую), и мы получаем возможность управлять шириной линии усиления активной среды лазера, существующую только в случае газовых лазеров.

Как мы знаем, для выполнения условий самовозбуждения усиление в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление за один проход должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн. Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твердых тел. Поэтому удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населенностей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка (главным образом лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Газоразрядный метод создания активной среды является наиболее общим методом получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают частицы газа, переводя их в процессах неупругих столкновений на более высокие уровни энергии. Обычно наблюдаемое свечение газового разряда (газосветные лампы) объясняется спонтанными переходами с этих уровней энергии вниз. Если скорости процессов распада возбужденных состояний благоприятны накоплению частиц на каком-то верхнем уровне энергии и опустошению какого-то нижнего уровня энергии, то между этими уровнями создается инверсия населенностей. Легко возбуждая газ в широком интервале энергий, электроны газового разряда создают инверсию населенностей уровней энергии нейтральных атомов, молекул, ионов.

Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как непрерывного, так и импульсного режимов работы. Импульсное возбуждение используется большей частью в случае неблагоприятной для непрерывного режима динамики установления населенностей на верхнем и нижнем уровнях энергии, а также для того, чтобы получать высокую мощность излучения, недостижимую в непрерывном режиме.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается внешним ионизующим агентом, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. В газовой среде, ионизованной независимо внешним воздействием, это поле и вызванный им ток определяют энергию возбуждения (энерговклад), вводимую в разряд.

Характерной особенностью газов является возможность создания таких потоков газовых масс, в которых резко меняются термодинамические параметры газа. Так, если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через некоторое сопло, то температура газа резко падает. Этой новой, существенно более низкой температуре соответствует новое равновесное распределение населенностей по уровням энергии частиц газа. При внезапном снижении температуры газа на какое-то время нарушается равновесность этого распределения. Тогда, если релаксация К новому термодинамическому равновесию для нижнего уровня вдет быстрее, чем для верхнего, газодинамическое истечение сопровождается инверсией населенностей, существующей в некоторой протяженной области вниз по течению газа. Размер этой области определяется скоростью газодинамического потока и временем релаксации инверсной населенности в нем.

Таков газодинамический метод получения инверсии, в котором тепловая энергия нагретого газа непосредственно преобразуется в энергию монохроматического электромагнитного излучения. Важной характерной особенностью этого метода является возможность организации газодинамических потоков больших масс активного вещества и тем самым получения высокой выходной мощности (см. формулу (6.57)).

При химическом возбуждении инверсия паселенностей создается в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. В газофазных химических реакциях неравновесное распределение химической энергии среди продуктов реакции проявляется наиболее сильно и сохраняется наиболее долго. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Привлечение цепных реакций приводит к тому, что падает относительная доля энергоза-. трат на инициирование реакций, обеспечивающих получение инверсии. В результате потребление электроэнергии во время работы химического лазера может быть очень малым, что также является большим достоинством химического метода создания инверсии. Добавим к этому, что удаление продуктов реакции, т. е. работа в газовом потоке, может обеспечить непрерывный характер

работы химических лазеров. Возможно также сочетание химического и газодинамического методов возбуждения.

К химическим лазерам примыкают лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации. Как правило, это - быстропротекающие реакции, инициируемые интенсивной импульсной световой вспышкой или взрывом. В результате диссоциации возникают возбужденные атомы или радикалы. Взрывной характер реакции обусловливает импульсный режим работы таких лазеров. В силу того, что при соответствующем инициировании фотодиссоциация может охватывать одновременно большой объем исходного газа, импульсная мощность и энергия излучения при фотодиссоциационном методе создания инверсии могут достигать значительных величин.

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен. Обычно используются лазерные источники. Специфика газов в случае оптической накачки проявляется еще и в том, что в силу их малой плотности глубина проникновения излучения накачки в газ может быть большой и тепловыделение при поглощении излучения - малым. Как правило, резонансная оптическая накачка газовых сред практически не приводит к нарушению их оптической однородности.

При электронно-лучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии (0,3-3 МэВ). При этом энергия быстрых электронов первичного пучка, общее число которых относительно невелико, каскадным образом преобразуется в энергию большого числа медленных электронов. Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется именно этими электронами низкой энергии (от единиц до десятков электронвольт). Так как длина пробега электронов большой энергии в газах достаточно велика, то электронно-лучевой способ возбуждения очень удобен для создания активной среды больших объемов при больших давлениях газов, причем газов любого состава.

Электронно-лучевое возбуждение является гибким и вместе с тем мощным методом, применимым практически всегда. Большое достоинство этого метода состоит также в возможности его сочетания с другими методами создания активной среды газовых лазеров

Прежде чем перейти к конкретному рассмотрению того, как все эти методы создания инверсии реализуются в тех или иных представляющих наибольший интерес газовых лазерных системах, целесообразно отметить два обстоятельства общего характера.

Во-первых, достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью релаксационных процессов

в газах. Как правило, соответствующие константы скорости хорошо известны или могут быть сравнительно легко изучены экспериментально. В коротковолновой области и для хорошо разрешенных переходов процессом, препятствующим получению и удержанию инверсии, является спонтанный распад верхнего уровня (см. лекцию вторую). Радиационные времена жизни атомов, молекул, ионов также либо хорошо известны, либо могут быть относительно хорошо известны. Значения этих времен, известные для свободных частиц, справедливы для газов.

Во-вторых, для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта при неупругих столкновениях между ними. Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии сталкивающихся частиц. Дело в том, что всегда существующее различие в значениях энергии тех состояний, обмен населенностями которых происходит при столкновении, приводит к тому, что передача возбуждения сопровождается выделением (или поглощением) кинетической энергии

Здесь N - плотность частиц доноров энергии возбуясдения, n - плотность акцепторов, звездочка обозначает воебуждение соответствующей частицы. Символ К, стоящий над стрелочками в уравнении (13.1), обозначает константу скорости этой реакции. Кинетическая энергия может быть получена из резервуара тепловой энергии поступательного движения частиц газа (или передана в этот резервуар). Для того чтобы такой процесс был эффективным, передаваемая в резервуар (получаемая из резервуара) в одном столкновении энергия не должна превышать среднюю энергию теплового движения одной частицы . Другими словами, дефицит энергии рассматриваемых состояний должен быть мал:

В этом случае происходит так называемая резонансная (квазирезонансная) передача энергии возбуждения.

В общих чертах процесс передачи энергии (13.1) описывается скоростным уравнением вида

где т - некоторое эффективное время релаксации, а константа скорости передачи энергии возбуждения, как обычно,

Здесь v - скорость сталкивающихся частиц, а сечение процесса передачи о приближается к газокинетическому сечению , при выполнении условия (13.2). В правой части уравнения

(13.3) учтен обратный процесс . Предполагая для выполнение закона сохранения числа частиц:

из (13.3) легко получить, что в стационарных условиях

При условии

достигается уровень возбуждения акцепторов, максимально возможный при заданном уровне возбуждения доноров.

Итак, процесс столкновительной передачи энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта, характерный для газовых сред, эффективен при выполнении условия (13.2). Этот процесс эффективен в создании активной среды лазера на основе частиц типа n путем возбуждения частиц типа N при выполнении условия (13.7).

Рис. 13.1. Передача энергии возбуждения по схеме прямая стрелка вцерх - возбуждение частиц N, прямая стрелка вниз - излучение частицами волнистая стрелка вниз - релаксация нижнего лазерного уровня частиц n. Показано отсутствие собственной релаксации частиц

Передача энергии возбуждения существенно расширяет возможности создания газовых лазеров, позволяя разделить в активной среде функции накопления энергии возбуждения и последующего излучения на желаемой длине волны. Процесс происходит в два этапа. Сначала тем или иным способом возбуждаются частицы вспомогательного газа - носителя избыточной энергии и выступающего донором энергии возбуждения. Затем в процессах иеупругих столкновений энергия передается от газа-носителя частицам рабочего газа - акцептора энергии возбуждения, населяя таким образом их верхний лазерный уровень. Верхний; уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни, чтобы хорошо накапливать энергию. Схематически рассматриваемый процесс показан на рис. 13.1.

Рассматриваемый метод нашел широкое применение, так как практически при всех методах возбуждения (электроразрядном,

газодинамическом, химическом и т. д.) часто оказывается гораздо более выгодным непосредственно вкладывать энергию возбуждения не в те частицы, излучение которых желательно, а в те, которые легко поглощают эту энергию, сами ее не излучают и охотно отдают свое возбуждение нужным частицам.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению ряда газовых лазеров. Начнем с атомарных газовых систем, ярким представителем которых является гелий-неоновый лазер. Хорошо известно, что этот лазер был, в сущности, первым. Исходные расчеты и предложения относились к газовым лазерам, главным образом, вследствие уже обсуждавшейся нами большей степени понимания схем уровней энергии и условий возбуждения в газовой среде. Все же первым был создан рубиновый лазер в силу того, что этот монокристалл был тщательно изучен в радиоспектроскопии ЭПР и широко использовался в квантовой электронике СВЧ для создания парамагнитных квантовых усилителей (парамагнитных мазеров). Вскоре, в конце того же 1960 г., А. Джаван,

Рис. 13.2. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде (обозначения стрелок те же, что и на рис. 13.1). Показана возможность каскадного заселения уровней энергии неона.

У. Беннет и Д. Харриот создали гелий-неоновый лазер на волне 1,15 мкм. Наибольший интерес к газовым лазерам сформировался после открытия генерации гелий-неонового лазера на красной линии 632,8 нм практически в тех же условиях, что и в первом запуске на волне 1,15 мкм. Это прежде всего стимулировало интерес к лазерным применениям. Лазерный луч стал инструментом.

Технические усовершенствования привели к тому, что гелий-неоновый лазер перестал быть чудом лабораторной техники и экспериментального искусства и превратился в надежное устройство. Этот лазер хорошо известен, он оправдывает свою известность и заслуживает внимания.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. Упрощенная и вместе с тем в каком-то смысле обобщенная схема уровней неона приведена в правой части рис. 13.2. В электрическом разряде при столкновениях с электронами

возбуждаются уровни . Уровни метастабильны, а уровень по сравнению с ними является более короткоживущим. Поэтому, казалось бы, должна легко возникать инверсия населенностей уровней по отношению к . Этому, однако, мешает метастабильный уровень . В спектрах многих атомов, в том числе атомов инертных газов, имеется такой долгоживущнй метастабильный уровень. Заселяясь в столкновениях с электроном, этот уровень не дает опустошаться уровню , что препятствует получению инверсии.

В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - донора энергии возбуждения. Этим газом служит гелий. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рис. 13.2) довольно точно совпадают с энергиями уровней неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию (13.7), можно добиться заселения одного или обоих уровней неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей этих уровней по отношению к уровню .

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Подчеркнем, что нашедший широкое применение в квантовой электронике газовых лазеров метод передачи энергии от газа, непосредственно не работающего, но легко возбуждаемого, к газу, не накапливающему энергию возбуждения, но легко излучающему, впервые был реализован в гелий-неоновом лазере.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона (рис. 13.3).

Нижним из возбужденных состояний гелия соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и - это метастабильные состояния со временем жизни примерно . Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Для неона действительна промеяуточная -связь. На рис. 13.3 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни близки к метастабильный уровням гелия 250 и 2%, дефицит энергии примерно равен (Заметим, что при 300 К

.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем р-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния

Рис. 13.3. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и пеона: прямые стрелки вверх - возбуждение гелия, волнистые стрелки - передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки - излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу . Затем была реализована инверсия переходов и .

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу соответствует усиление в и поэтому на нем легко достигается генерация в простых, например металлических, зеркалах. Переход гораздо

более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в , что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в . Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается многослойными диэлектрическими интерференционными зеркалами, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу соответствует усиление генерация достигается. с помощью диэлектрических зеркал.

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока. значение .

Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия ) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5-10 мм, отношение парциальных давлений 5-15, общее давление 1 - 2 Торр, ток 25-50 мА.

Наличие оптимума по диаметру обусловлено конкуренцией двух факторов. Во-первых, при увеличении поперечного сечения активной среды лазера при прочих равных условиях происходит увеличения вероятности распада на стенке капилляра метастара капилляра газоразрядной трубки увеличивает коэффициент усиления пропорционально . Последнее происходит как из-за - увеличения вероятности распада на стенке капилляра метаста-бильного состояния неона так и из-за увеличения количества возбужденного гелия (и тем самым неона), а значит, и коэффициента усиления при сохранении постоянным произведения т. е. при выполнении условия подобия тлеющих разрядов при изменении диаметра газоразрядной трубки.

Наличие оптимальной плотности тока разряда обусловлено возникновением при больших токах каскадных процессов типа

приводящих к уменьшению инверсии (см. рис. 13.2 и 13.3). Процессы такого рода могут становиться существенными также при увеличении давления неона, что, в свою очередь, обусловливает наличие оптимума по давлению.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений гелия и неона.

Остановимся теперь на вопросе конструирования резонатбров гелий-неонового лазера. Большая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро портятся в разряде. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка, снабженная окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, помещается внутрь резонатора. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал и облегчается их смена,

появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т. п.

В квантовой электронике важным является вопрос о ширине линии рабочего перехода (см. лекцию вторую). Для газовых лазеров существенны естественное, столкновительное и доплеровское уширения. В случае гелий-неонового лазера формула (2.8) (где под надо понимать - естественное время жизни р-состояния неона, а под - время т., относящееся к s-состояпию) дает значение естественной ширины линии МГц. Столкновительное уширение (формулы (2.31) и определяется давлением газа. Для атомов неона в предположении, что сечение соответствующего столкновительного процесса равно газокинетическому, при давлении порядка МГц. Доплеровская ширина линии (формулы (2.28) и определяется, в частности, длиной волны излучения. Для линии 0,63 мкм при 400 К эти формулы дают что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из сказанного видно, что в случае гелий-неонового лазера основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения, является эффект Доплера. Уширение это относительно невелико и при такой линии можно получить генерацию на одной продольной моде, т. е. одночастотную генерацию при хотя и малой, но физически вполне реализуемой длине резонатора 15 см. (формула (10.21)).

Гелий-неоновый лазер является наиболее представительным примером газовых лазеров. В его излучении отчетливо проявляются все характерные свойства этих лазеров, в частности лэмбовский провал, обсуждавшийся в лекции одиннадцатой. Ширина этого провала близка к ширине одной из тех однородно уширенных линий, совокупность которых образует неоднородно уширенную доплеровскую линию. В случае гелий-неонового лазера такой однородной шириной является естественная ширина . Так как , то положение лэмбовского провала (см. рис. 11.6) очень точно показывает положение центра линии рабочего перехода. Кривая, представленная на рис. 11.6, для лэмбовского провала экспериментально получается путем плавного изменения длины резонатора одномодового лазера. Следовательно, положение минимума провала может быть использовано при соответствующей обратной связи, управляющей длиной резонатора, для стабилизации частоты генерации лазера. Так получена относительная стабильность и воспроизводимость частоты, равная . Отметим, однако, что более высокая стабильность достигается, когда провал выжигается не в линии усиления активной среды, а в линии поглощения резонансного газа. Для линии генерации таким газом является метан.

Подчеркнув в заключение, что существует целый ряд газовых лазеров на нейтральных атомах, в том числе на атомах благородных газов, отметим, что промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры в широком ассортименте.

Гелий-неоновый лазер

Кроме Шавлова, еще два исследователя Bell Labs работали в 1958 г. над проблемой лазера: Али Джаван и Джон Сандерс. Джаван был иранцем по происхождению. Он получил докторскую степень в 1954 г. под руководством Таунса по теме радиоспектроскопии. Он четыре года оставался в группе Таунса, работая в области радиоспектроскопии и мазеров. После защиты диссертации, когда Тау не был в творческом отпуске в Париже и в Токио, Джаван стал более активно заниматься мазерами и пришел к идее трехуровнего мазера, прежде чем группа из Bell Labs опубликовала экспериментальную работу по этой теме. Он нашел метод получения усиления безынверсной населенности, используя, в частности, эффект Рамана в трехуровневой системе, однако он опубликовал свои результаты позже, чем группа из Bell.

В апреле 1958 г., когда он искал место в Bell Labs, общался с Шавловым, который рассказал ему о лазерах. В августе 1958 г. он был принят в Bell Labs, и в октябре начал систематические исследования по лазерам. Первоначально он имел там этические затруднения. Компания RCA предварительно изучила его записи о трехуровневом мазере и установила, что его даты предшествуют датам группы из Bell. RCA заплатила ему $1000 за право на патент, и начала спор с Bell, где Джаван уже работал. В течение примерно шести месяцев Джаван имел дело с юристами из RCA и Bell Labs. К счастью, RCA провела маркетинговое исследование и, убедившись, что этот мазерный усилитель не сулит прибыли, прекратила дело, оставив патент Bell Labs.

Итак, Джаван мог всецело посвятить себя лазеру. Он думал построить его, используя газы, и опубликовал предполагаемую конструкцию в Physical Review Letters в 1959 г. Он решил использовать газ в качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако он думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов прямо в возбужденное состояние, и рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями с электронами в среде чистого неона, либо путем столкновений второго рода. В последнем случае разрядная трубка наполняется двумя газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями с электронами в электрическом разряде, могут передавать свою энергию атомам второго газа, возбуждая их. Некоторые смеси газов имели структуру энергетических уровней, которая удовлетворяла этим условиям. Фактически, необходимо, чтобы энергетический уровень второго газа имел энергию, практически равную энергии возбуждения первого газа. Из возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия и неона, уровни которых показаны на рис. 54. Он считал, что любой физический процесс стремится к установлению больцмановского распределения энергии по уровням (т.е. населенность нижнего уровня больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда с инверсной населенностью может получиться в стационарном процессе только в результате конкуренции различных физических процессов, протекающих с разной скоростью.

Это можно лучше понять на примере с рассмотрением дерева с ветками (две на рис. 55), на которых сидят обезьяны. Рассмотрим сперва населенность согласно больцмановской статистике, т.е., скажем, четыре обезьяны сидят на верхней ветке (1), пять на нижней (2) и шесть на земле (3, основной уровень). Из этих трех уровней основной наиболее населен, и чем выше уровень, тем менее он заселен. Однако обезьяны не сидят на месте, но прыгают по веткам (для примера мы можем полагать, что это происходит каждую минуту). Населенности на уровнях при этом остаются одними и теми же во времени (равновесная ситуация). Предположим теперь, что мы продолжаем заселять ветки с той же скоростью (одна обезьяна за минуту), но в то же время мы смачиваем ветку 2 и делаем ее скользкой. Теперь обезьяны не могут оставаться на ней более, например, 10 секунд. Поэтому эта ветка быстро расселяется, и вскоре на ветке 1 оказывается больше обезьян, чем на ветке 2. Таким образом, получается инверсная населенность из-за того, что время пребывания обезьяны на разных ветках различно. Хотя это очень примитивные рассуждения, но они помогают понять соображения Джавана.

Выбор гелий-неоновой смеси проходил через тщательный отбор, чтобы получить систему, обещающую оптимальную среду, и лишь последующий успех принес a posteriory полное доверие Джавану. Даже после того, как он убедился, что гелий-неон является лучшей смесью, находилось немало скептиков, которые говорили ему, что газовый разряд слишком хаотичен. Они говорили, что слишком много неопределенностей, и его попытки напоминают охоту на диких гусей.

Рис. 54. Энергетические уровни гелия (Не) и (Ne). Показаны главные лазерные переходы

Рис.55. Обезьяны на дерене распределяются согласно статистике Больцмана. Их больше на земле, и их число уменьшается по мере высоты веток

Джаван потратил много денег, но, к счастью, система заработала, иначе администрация уже готова была закрыть проект и прекратить эксперименты. К концу проекта на это исследование были затрачены два миллиона долларов. Хотя эта сумма, по-видимому, преувеличена, проект, несомненно, требовал значительных затрат.

Между тем, Джон Сандерс, физик экспериментатор из Оксфордского университета, был приглашен в Bell Labs, чтобы он попытался реализовать инфракрасный лазер. В течение менее одного года, выделенного на это исследование, Сандерс не тратил времени на теоретическое изучение, а сразу решил возбуждать чистый гелий в разрядной трубке с резонатором Фабри-Перо внутри ее. Он пытался получить лазерный эффект путем проб и ошибок, варьируя параметры разряда. Максимальное расстояние, на котором можно было установить зеркала, все еще остающимися параллельными друг другу, было 15 см. Сандерс не использовал разрядные трубки большей длины. Джаван считал это принципиальным ограничением. Он предполагал, что усиление в газе очень мало и резонатор Сандерса не заработает. Трубка, которую использовал Джаван, была намного длиннее, и поскольку крайне трудно было настроить зеркала Фабри-Перо на таком расстоянии, он решил сперва определить требуемые значения параметров для работающего устройства, а затем уж постараться настроить зеркала методом проб и ошибок. Так он работал. Без всей предварительной работы по выбору режима He-Ne для получения известного усиления, было невозможно добиться успеха.

Сандерс послал письмо в Physical Review Letters, в котором сообщал, что было трудно получить достаточное число возбужденных атомов с помощью импульсной лампы, и предлагал использовать возбуждение, производимое ударами электронов. Такое возбуждение легко осуществить при электрическом разряде в газе или в парах. Инверсия населенности могла быть получена, если в активном материале существуют возбужденные состояния с большими временами жизни, а также состояния с более низкими энергиями и с короткими временами жизни (как мы рассматривали в примере с обезьянами).

Сразу же после этой статьи, в том же выпуске Physical Review Letters, А. Джаван опубликовал свою статью, в которой также рассматривал эти проблемы, и среди других схем предложил одну очень оригинальную. Рассмотрим долго живущее состояние в газе. В условиях разряда это состояние можно заселить подходящим образом из-за его большого времени жизни. Если теперь возбужденное состояние второго газа имеет энергию очень близкую к этому долго живущему состоянию, то очень вероятно, что при столкновении энергия будет передана от первого атома ко второму, который станет возбужденным. Если этот атом имеет другие состояния с более низкими энергиями, то они останутся невозбужденными и, тем самым может получиться инверсная населенность между состоянием с высокой энергией по отношению к состоянию с более низкой энергией. В своей работе Джаван упомянул о смесях криптона и ртути, а также о смеси гелия с неоном. Эта работа была опубликована в Physical Review Letters 3 июня 1959 г.

Джаван работал в тесном контакте с Вильямом Р. Беннеттом мл., спектроскопистом из Йельского университета, и который был другом Джавана в Колумбии. Они работали до самой ночи целый год. Осенью 1959 г. Джаван попросил Дональда Р. Херриота, специалиста по оптической аппаратуре в Bell Labs, участвовать в работе над проектом. Одной из принципиальных проблем, было снабдить разрядную трубку двумя прозрачными окнами очень высокого оптического качества, чтобы не искажать выходной пучок. Также требовалось установить зеркала резонатора. Была разработана схема (рис. 56) с зеркалами внутри разрядной трубки, снабженная специальными устройствами с микрометрическими винтами, которые обеспечивали возможность тонкой настойки зеркал по углам. В сентябре 1959 г. Беннетт перешел из Йеля в Bell Labs и вместе с Джаваном начал программу интенсивных и тщательных исследований с расчетами и измерениями спектроскопических свойств гелий-неон смесей при различных условиях, с целью определить факторы, определяющие получение инверсии. Они установили, что при наилучших условиях можно получить лишь очень малое усиление, порядка 1,5%. Такое малое усиление делало совершенно необходимым минимизировать потери и использовать зеркала с наибольшим возможным коэффициентом отражения. Такие зеркала получают путем нанесения на прозрачную поверхность (стекло) многих слоев подходящих (прозрачных) диэлектрических материалов с разными коэффициентами преломления. Высокий коэффициент отражения получается за счет многолучевой интерференции при отражениях на границах между слоями. Три исследователя сумели использовать такие зеркала, которые на длине волны 1.15 мкм имели коэффициент отражения 98,9%.

Рис. 56. Схема гелий-неонового лазера, построенного Джаваном, Беннеттом и Хериоттом

В 1960 г. Джаван, Беннетт и Хериотт наконец испытали свой лазер. Сначала они пытались осуществить электрический разряд в кварцевой трубке, содержащей газовую смесь, с помощью мощного магнетрона, но трубка плавилась. Пришлось переделать аппаратуру и внести изменения. 12 декабря 1960 г. они стали работать с новой трубкой и организацией разряда. Они пытались настроить зеркала, чтобы получить лазерную генерацию, но безуспешно. Затем, в полдень, Хериотт увидел сигнал: «Я, как обычно, поворачивал микрометрические винты одного из зеркал, когда, внезапно, появился сигнал на осциллографе. Мы настроили монохроматор и зарегистрировали пик сигнала на длине волны 1,153 мкм, т.е. на ожидаемой длине волны». Родился первый лазер, использующий газ в качестве активной среды, и работающий в непрерывном режиме! Его излучение было в ближнем ИК-диапазоне и поэтому невидимое глазом. Для регистрации требовался подходящий приемник, связанный с осциллографом.

А шестью месяцами ранее, техник Эд Баллик, помогавший в работе, позднее получивший степень в Оксфордском Университете и преподававший в Канаде, купил бутылку вина столетней давности. Она предназначалась для торжественного момента - по случаю работы лазера. Когда, наконец, эксперименты по созданию лазера привели к успеху, через несколько дней Джаван позвонил главе Bell Labs и пригласил его обмыть событие столетним вином. Тот страшно обрадовался, но потом воскликнул: «Черт, Али. У нас проблема!». Это произошло с утра, Джаван, так и не понял в чем проблема. Но в полдень по лаборатории был распространен циркуляр, уточняющий предыдущий, выпущенный несколькими месяцами ранее, и запрещающий распитие алкоголя на территории научного центра. Уточнение запрещало распивать любой алкоголь, возраст которого не достиг 100 лет. После этого они подняли бокалы за успех, не нарушив правила!

Первый лазер работал на переходе с длиной волны 1,15 мкм, ближнем ИК-диапазоне. Джаван использовал зеркала, которые имели максимальное отражение на этой длине волны, которая соответствует одному из возможных переходов неона. Он знал, что были и другие возможные длины волн. Он выбрал эту длину волны, поскольку его исследования показали, что на ней можно ожидать наибольшее усиление. Чтобы использовать переходы в видимой области, требовалась трубка с таким малым диаметром, что невозможно было настроить плоские зеркала, которые в то время использовались для резонатора Фабри-Перо.

В лазере Джавана разрядная трубка содержала неон и гелий при давлении 0,1 и 1 торр соответственно (1 торр - почти тысячная часть давления в одну атмосферу). Трубка из плавленого кварца имела длину 80 см и диаметр 1,5 см. На каждом конце была металлическая полость, в которых располагались плоские зеркала с высоким отражением. Использовались гибкие рукава (сильфоны), позволяющие микрометрическими винтами настраивать (путем прецизионных наклонов) зеркала Фабри-Перо. Это позволяло обеспечить параллельность с точностью до 6 угловых секунд. На концах располагались плоские стеклянные окна с поверхностями, отполированными с точностью, лучшей 100 А. Они позволяли выпускать пучок излучения без искажений. Электрический разряд возбуждался с помощью внешних электродов, используя генератор на 28 МГц с мощностью 50 Вт. Зеркала с высоким отражением получались напылением 13 слоев диэлектрических материалов (MgF 2 , ZnS). В области между 1,1 и 1,2 мкм коэффициент отражения был 98,9%. Лазер работал в непрерывном режиме и был первым лазером этого типа.

Следуя примеру Hughes, исследовательский центр Bell Labs также устроил публичную демонстрацию гелий-неонового лазера 14 декабря 1960 г. Чтобы продемонстрировать возможную важность для коммуникаций, была организована передача телефонного разговора, используя пучок лазерного излучения, который модулировался телефонным сигналом.

Этот лазер стали называть He-Ne-лазером, используя химические символы его компонент для названия. Он был представлен прессе 31 января 1961 г. Работа, описывающая его, была опубликована 30 декабря 1960 г. в Physical Review Letters.

В то время, когда Джаван проводил эксперименты весной 1960 г., два исследователя Bell Labs, А. Фокс и Т. Ли, стали изучать вопрос, какие моды существуют в резонаторе Фабри-Перо. Дело в том, что резонатор Фабри-Перо сильно отличается от микроволновых резонаторов в виде замкнутых полостей. Они определили вид этих мод, и их результат побудил других исследователей Bell Labs, Гэри Д. Бонда, Джеймса Гордона и Хервига Когельника, найти аналитические решения в случае зеркал сферической формы. Важность изучения оптических резонаторов для развития газовых лазеров нельзя недооценивать. До того как были получены эти результаты, газовый лазер был, в лучшем случае, маргинальным устройством, генерация которого в сильнейшей степени зависела от юстировки концевых зеркал. Теоретические исследования резонаторов со сферическими зеркалами показали, что могут быть конфигурации, относительно слабо зависящие от юстировки зеркал, а внутренние потери в резонаторе могут быть меньшими, чем в резонаторе с плоскими зеркалами. Это позволяет использовать активные среды со значительно меньшими, чем думали раньше, усилениями. От резонатора с плоскими зеркалами практически отказались, и все открытия новых газовых лазеров делались с помощью резонаторов со сферическими зеркалами.

В 1961 г. в Bell Labs началась большая программа лазерных исследований. Исследователей, занятых другими проблемами, переориентировали на новую тематику, были приняты новые сотрудники. Решение использовать в резонаторе два одинаковых сферических зеркала, расположенных в положении их фокусов (такая конфигурация называется конфокальным резонатором), показало, каких трудностей мог бы избежать Джаван, если бы использовал такой резонатор. В результате, Вильям В. Ригрод, Хервиг Когельник, Дональд Р. Хериотт и Д. Дж. Брангачио построили весной 1962 г. первый конфокальный резонатор со сферическими зеркалами, которые концентрируют свет к оси разрядной трубки, причем эти зеркала помещались вне трубки. Это позволило получить генерацию на красной линии 6328 А. Часть света неизбежно теряется при отражениях от поверхностей окон (френелевское отражение). Этих потерь, однако, можно избежать, если наклонить окна под определенным углом, называемым углом Брюстера. В этом случае для света определенной поляризации потери практически равны нулю. Такая новая конфигурация лазера показана на рис. 57.

Рис. 57. Конфокальный оптический резонатор. Трубка, в которой газ возбуждается электрическим разрядом, закрыта окошками, наклоненными под углом Брюстера. Вогнутые зеркала с равными радиусами кривизны располагаются за трубкой так, чтобы расстояние между ними было равно радиусу кривизны

Красный He-Ne-лазер стал широко применяться, и до сих пор находит использование, в частности, в медицине. Кроме того, он сильно способствует пониманию принципиальных различий между лазерным (высококогерентным) и обычным (некогерентным) светом. С помощью этого лазера легко наблюдаются явления интерференции, а также модовая структура лазерного пучка, которая легко и наглядно изменяется небольшим наклоном зеркала резонатора. Также стимулировалась разработка других, многочисленных типов лазеров.

Современный He-Ne-лазер может генерировать на одном из нескольких переходах, показанных на рис. 54. Для этого могослойные зеркала изготавливаются с максимальным отражением на нужной длине волны. Генерация получается на длинах волн 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А° и даже при использовании особых зеркал, на длинах волн 5433 А (зеленая линия), 5941 А° (желтая линия), 6120 А° (оранжевая линия).

Второй твердотельный лазер В сентябре 1959 г. Таунс организовал конференцию «Квантовая электроника - резонансные явления», на которой, хотя лазер еще не был создан, большинство неформальных дискуссий концентрировалось на лазерах.В этой конференции приняли участие Петер

Цезиевый лазер 1961 г. был годом реализации еще двух лазеров, над которыми специалисты работали с самого начала появления концепции лазера. Одним из них был цезиевый лазер. После того как Таунс и Шавлов написали свою работу, было решено, что Таунс попытается построить лазер

Неодимовый лазер Другой лазер, запущенный в 1961 г. и все еще остающимся одним из главных, - лазер на неодимовом стекле. В 1959-1960 гг. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые проводил один из ее ученых, Элиас Снитцер. Эта

Существует ли лазер в природе? Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO2 лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было

Лазер и Луна Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет,

РАБОТА 17. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с принципом действия и устройством гелий-неоново­го лазера.

2. Ознакомиться с интерференцией, дифракцией и поляризацией лазерного излучения.

3. Определить периоды двумерной структуры.

4. Определить угол расходимости лазерного луча.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Лазер принципиально новый источник света. От из­­­­­­лучения обыч­ных источников (лампы накаливания, лампы дневного света и т.д.) излучение лазера отличается тем, что оно близко к монохроматичес­кому, обладает исключительно высокой временной и пространственной когерентностью, очень малой расходимостью, а, следовательно, ис­ключительно высокой плотностью электромагнитной энергии. Кроме того луч лазера поляризован.

Принцип действия лазера основан на трех физическихявлениях: вынужденное излучение, инверсия населенности и положительная об­ратная связь.

Поведение атомов (молекул) подчиняется ­законам кван­­товой механики, согласно которым значения физических величин (например, энергии Е) могут принимать лишь определенные (дискретные) значе­ния. Для энергии эти значения принято графически изображать в ви­де так называемых уровней энергии (рис.1).

Самый нижний энергетический уровень называется основным, так как отвечает наиболееустойчивому состоянию частицы. Остальные уровни с более высокими значениями энергии называются возбужденными.

Процесс, сопровождающийся увеличением энергии атома, изображается как переход на более высокий энергетический уровень, про­цесс с уменьшением энергии - как переход на более низкий уровень.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения (све­та) с атомами.

Первый вид взаимодействия: атом, находясь в основном состоянии, поглощает фотон, энергия которого достаточна для перехода в одно из возбужденных состояний (рис. 1а).

и второй : атом, находящийся в возбужденном состоянии,

спонтанно (самопроизвольно) переходит в более низкое энерге­тическое состояние: этот переход сопровождается излучением фотона (рис. 1в).

При спонтанных переходах различные атомы излучают неод­новременно и независимо, поэтому, фазы излучаемых фотонов не связаны между собой, направление излучения, его поляризация носят случайный характер, а частота излучения колеблется в некоторых пределах, определяемых шириной энергетических уровней Е 1 и Е 2 .

Спонтанное излучение ненаправленное, неполяризованное, немонохроматичное.

Существует, однако, третий вид взаимодействия , который называется вынужденным излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии (рис.2), падает излучение с частотой ν соответствующей переходу атома в более низкое состояние (1), то атом переходит в него вынужденно под действием этого фотона, излучая при этом свой фотон, который называется вынужденным излучением.

Исключительно важно отметить характерное свойство вынужденного излучения: излученная волна (фотон) имеет точно то же направление и фазу, что и вынуждающая. Кроме этого эти две волны имеют одинаковые частоты и состояния поляризации.

При переходах 1→2 (рис. 1а) внешнее излучение поглощается, а при вынужденных переходах 2→1 (рис.2) наоборот, усиливается, т.к. к внешнему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Вероятности переходов 1→2 и 2→1одинаковы. Если большинство атомов находится в возбужденном состоянии, то тогда чаще будут происходить переходы 2→1. Другими словами, для усиления внешнего излучения необходимо, чтобы населенность уровня 2 была выше населенности уровня 1 или необходи­мо создать инверсию заселенности уровней.

При температуре Т число атомов N в состоянии с энергией Е определяется формулой Больцмана

N ~ exp(-E/kT)

где k – постоянная Больцмана.

Отсюда видно, что чем больше энергия состояния Е, тем меньше число N атомов находится в этом состоянии. Значит, в равновесном состоянии больше населены нижние уровни, и поглощение света преобладает над усилением.

Инверсия заселенности уровней отвечает неравновесному состоянию атомов среды.

Создать такое состояние можно искусственно, подводя
энергию к рабочему веществу, за счет которой атомы переводятся на верхний энергетический уровень. Такой процесс назы­вается накачкой. В разных типов лазеров накачка осуществля­ется по-разному: в твердотельных лазерах осуществляется за счет поглощения света от дополнительных ламп, в газовых - за счет передачи атомам газа энергии ускоренных элек­трическим полем электронов при их столкновениях.

Среда, в которой осуществлена инверсия заселенности, называется активной средой.

Слово "лазер" составлено из начальных букв английской фразы: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает: "усиление света с помощью вынуж­денного излучениям". Лазеры также называют оптическими кван­товыми генераторами (ОКГ).

Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.

Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного

действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.

Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиам­пер.

Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы

неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.

В чистом неоне заселение состояний 3S при накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.

Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энер­гия уровня 2S гелия равна энергии уровня 3S неона. Уровень же энергии 2S гелия является долгоживущим и эффективно засе­ляется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня 3S неона.

После этого в активной среде происходят многочисленные
акты спонтанных переходов 3S→2P, появляющиеся фотоны (λ =632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.

Усиление луча идет значи­тельно быстрее, если свет возвращать обратно в активную сре­ду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных пере­ходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).

Нарастание интенсивности вынужденного излучения происхо­дит лавинообразно, и она становится существенно больше интен­сивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.

Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.

Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.

Характеристики лазерного излучения.

Похожая информация.