Часть 5.

Среда с инверсной населенностью может не только усиливать внешнее излучение, но и сама излучать без внешнего источника (служить генератором). Случайно возникший фотон вызовет рождение новых точно таких же фотонов и по мере их прохождения через активное вещество будет происходить их лавинообразное размножение согласно формуле (6). Но за один акт прохождения излучения через вещество усиление может быть малым и не все верхние уровни ( на рис.4) успеют опустошиться. Поэтому часть выходящего излучения следует направить обратно в систему с тем, чтобы оно привело к рождению новых фотонов и к дополнительному увеличению интенсивности и т.д. такая связь, когда часть усиленного сигнала подается вновь в усиленную систему и приводит к дополнительному усилению называется положительной обратной связью рост интенсивности излучения внутри системы не может быть бесконечным, поскольку часть излучения выходит из системы.

Устройством, обеспечивающим положительную обратную связь в лазерах является совокупность двух плоскопараллельных зеркал (интерферометр Фабри-Перо). Одно из зеркал делают полупрозрачным, с тем, чтобы часть излучения могла покинуть лазер (рис. 5).

Плоскопараллельные зеркала, кроме обратной связи, делают излучение направленным, поскольку излучение, не совпадающее с прямой, проходящей через середины зеркал (оптической осью системы) покидает систему через боковую поверхность, не усиливаясь. Угловая расходимость пучка, выходящего из лазер, определяется дифракцией на краях зеркала и равна по порядку ; где – диаметр отверстия. Поскольку , то угловая расходимость пучка лазера мала.

Прежде мы предполагали, что вынужденное излучение лазера (переход с узкого метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 рис. 4) абсолютно монохроматично (уровни бесконечно узкие). Однако уровни молекул или атомов всегда несколько размыты. Одна из причин размытия в том, что атом не изолирован, а взаимодействует с другими атомами, и это придает спектральным линиям конечную ширину . Спектральная линия имеет конечную, так называемую естественную ширину и вследствие фундаментального соотношения неопределенностей (7) поскольку время жизни атома в возбужденном состоянии всегда конечно.

Существуют различные типы лазеров, но действие каждого из них основано на тех физических принципах, которые были изложены выше. Отличие их заключается главным образом в методе получения активной среды, т.е. способе накачки. Так в твердотельных ОКГ применяют оптическую накачку, газовых – электрический разряд, полупроводниковых – инжекцию носителей.

Часть 6.

Газовые лазеры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами ОКГ. В них активная среда находится в состоянии газоразрядной плазмы, т.е. представляет совокупность ионов, и электронов. Эти частицы слабо взаимодействуют друг с другом, так что линии спонтанного излучения или поглощения очень узки. Поэтому ширина генерации газового ОКГ минимальная по сравнению с другими типами ОКГ. С другой стороны газ в оптическом отношении является однородной средой и не рассеивает свет ( мало, см. формулу 6).

Рассмотрим более подробно действие гелий-неонового лазера. Атомы гелия возбуждаются с помощью электрического разряда в разреженном газе. Они занимают различные возбужденные уровни с которых переходят на метастабильный уровень (рис.6). напомним, что первая цифра символа уровня означает значение главного квантового числа возбужденного электрона, буква – значение орбитального квантового числа , а цифра вверху означает мультиплетность уровня (3 – уровень триплетный, т.е. разбит на три близких уровня), 1 – синглетный (одиночный) уровень.

В атомах осуществляются не все мыслимые переходы, а только те, которые удовлетворяют правилам отбора. Переход между двумя различными состояниями электрона с излучением (поглощением) фотонная может произойти только в том случае, если состояния удовлетворяют условиям

(9)

Где – изменение орбитального квантового числа, – изменение полного квантового числа. Правила (9) есть прямое следствие закона сохранения момента количества движения.

Уровень гелия (рис.6) является метастабильным в силу условия (9). Находясь в метастабильном состоянии в течение некоторого времени , атомы гелия сталкиваются с атомами неона. Особенность спектра этих двух газов в том, что метастабильный уровень гелия имеет близкое значение энергии с метастабильным уровнем неона. Поэтому при столкновении происходит резонансная передача возбуждения от атомов гелия атомам неона. Переход с одного из четырех подуровней (такого, который энергетически близок к уровню гелия и его населенность поэтому выше чем других подуровней) на один из десяти короткоживущих подуровней (четвертый снизу) дает лазерное излучение длиной волны . Настройкой зеркал можно получить излучение от другой пары уровней (условие (8), удовлетворяющих правилу отбора (9) (например, желто-оранжевую линию и т.д.).

С уровней атомы неона переходят на метастабильный уровень (таких переходов много и благодаря этому свечение неона красное). Чтобы инверсия населенностей над уровнями была непрерывной, необходимо эффективно опустошать метастабильный уровень . Из состояния атомы неона могут возвращаться в основное состояние только с помощью столкновения с другими атомами или путем столкновения со стенками трубки. Поэтому трубка не должна быть большого диаметра. Опыт показывает, что накачка неона более эффективна, если его давление меньше чем гелия .

Таким образом в гелий-неоновом лазере гелий служит резервуаром возбуждений, резонансным образом передаваемых неону. Неон является рабочим веществом.

В гелий-неоновых ОКГ достигнуты сравнительно большие мощности генерации индуцированного излучения: несколько десятков милливатт . Эти мощности приходятся на узкую спектральную область, в результате чего эффективная температура излучения соответствует , что в раз выше температуры излучения солнца.

Особенности излучения ОКГ открыли широчайшие возможности для их практического применения: локация, обработка твердых и тугоплавких материалов, точные эталоны длины, времени и частоты, использование в хирургии, голографии и т.д.).

В данной лабораторной работе предлагается изучить устройство, принцип действия и провести ряд экспериментов с гелий-неоновым лазером ЛГ-56.