Генерация оптического излучения.

Квантовые генераторы.

Для того, чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в генератор излучения, необходимо создать положительную обратную связь, т.е. часть усиленного выходного сигнала возвратить на вход. Для этого служат различные резонаторы. Типичный оптический резонатор состоит из плоскопараллельных зеркал, обеспечивающих многократное прохождение световой волны через активное вещество. Для вывода излучения одно из зеркал делается полупрозрачным, причем длина резонатора определяется длиной волны лазерного излучения l_р = n l_рез/2.

 

Создание в среде инверсной населенности при наличии оптического резонатора дает необходимые энергетические предпосылки для возникновения излучения.

Однако реально имеются такие мешающие факторы, как поглощение излучения в активной среде и отражение. Поэтому лишь выполнение третьего условия – превышение некоторого порога возбуждения, при котором перекрываются все виды потерь – приводит к возникновению стимулированного когерентного излучения.

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора х, хорошо описывается экспонентой вида:

,

где Е ₀ – энергия излучения при х =0;

К_Л – линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально энергии накачки;

К_Q – коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной среде.

Для линейного резонатора:

,

где 1/c₀ – коэффициент поглощения излучения в активной среде;

К ₁, К ₂ – коэффициенты отражения зеркал.

При некотором значении энергии накачки Е_н, которое называется порогом генерирования лазера, К_Л>К_Q, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е. генерацию.

При энергии ниже порога генерации активная среда обычно излучает довольно широкий спектр, соответствующий спектру спонтанного излучения (рис. пунктир).

При переходе порогового уровня возбуждения спектр излучения сужается резонатором до одной длины волны, для которой выполняется условие резонанса

.

Таким образом, лазер может генерировать почти монохроматическое излучение. Однако в любом резонаторе условие резонанса может выполняться не для одного, а для многих типов колебаний, так как n =1, 2, 3. Эти типы колебаний, для которых в данном резонаторе одновременно выполняется условие резонанса, называют модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод, лежащих в полосе спонтанного излучения активной среды (рис.) Для конкретного резонатора моды отстоят друг от друга по частоте на D f=c^.n/(2l_р). Для получения одномодового режима используют специальные методы селекции мод.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора. Угловая расходимость j _изл оценивается выражением

.

Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо иметь ансамбль частиц, в котором может быть создана инверсная населенность, резонатор и устройство, обеспечивающее получение инверсного состояния. Ансамбль частиц, в котором может быть создана инверсная населенность, называют активным веществом или активным элементом лазера. Совокупность же элементов, обеспечивающих получение инверсной населенности, называют устройством или системой накачки. Структурная схема лазера изображена на рис.

 

Для того чтобы любой автогенератор радиодиапазона начал генерировать электрические колебания, необходимо выполнить условия баланса амплитуд и фаз. Выполнение этих условий необходимо и для работы генераторов оптического диапазона.

В каждом активном веществе существует свое значение критической (пороговой) инверсной населенности частиц DN_k, при которой возникает генерация излучения. Эта величина определяет основное условие генерации

D N_k = N_n-N_m.

Данное условие можно создать, если время нахождения частиц на верхнем уровне будет больше времени перехода частиц на нижний исходный уровень. Такое положение достигается наличием промежуточных (метастабильных) уровней, которые могут находиться в энергетическом спектре некоторых веществ.

В активном веществе излучение оптической накачки переводит частицы в широкую полосу поглощения 3, после чего они быстро переходят на метастабильный уровень 2. Если мощность накачки достаточна, то между основным уровнем 1 и метастабильным уровнем 2 возникает инверсия населенности. Генерация вынужденного излучения в таких системах происходит при переходе частиц с метастабильного уровня на основной.

При таком перераспределении вероятностей, обеспечиваемом соответствующим подбором времени переходов, осуществляется инверсия (перестановка частиц), в результате которой на промежуточных уровнях число частиц, в сравнение с нижним уровнем, становится больше. Находясь на этом уровне, частицы пребывают в метастабильном состоянии и достаточно одной из них совершить переход из этого состояния на нижний уровень, как выделенный при этом квант энергии вызовет стимулированное излучение других частиц с одновременным переходом в более низкое энергетическое состояние.

 

 

Вывод:

Для создания индуцированного когерентного излучения необходимы:

- квантовая система (активное вещество);

- резонатор;

- источник энергии, переводящий частицы активного вещества в возбужденное состояние;

- перенаселенность верхнего энергетического уровня по отношению к нижнему.