dispozitiv cu laser
In schema: 1 - mediul activ; pompa cu laser energie - 2; 3 - oglindă opacă; 4 - oglindă semitransparentă; 5 - fasciculul laser.
Toate laserele constau din trei părți principale:
activ mediu (de lucru);
sistem de pompare (sursa de energie);
un rezonator optic (poate fi omisă dacă laserul funcționează ca un amplificator).
Fiecare dintre ele asigură performanțe cu laser funcțiilor lor specifice.
Mediul activ
În prezent, diferitele starea de agregare a substanței utilizate ca mediu de prelucrare cu laser: solid, lichid, gazos, plasmă [15]. În mod normal, numărul de atomi de la nivelurile de energie excitate este determinată de distribuția Boltzmann [16]:
Aici N - numărul de atomi într-o stare excitată cu o energie E. N0 - numărul de atomi în starea solului, k - constanta Boltzmann, T - temperaturasredy. Cu alte cuvinte, astfel de atomi sunt în stare excitată este mai mică decât în sol, astfel încât probabilitatea chtofoton înmulțire prin mediu va determina emisia stimulata este de asemenea mică în comparație cu probabilitatea absorbției sale. Poetomuelektromagnitnaya val care trece prin substanța consumă energia lor excitație atomov.Intensivnostizlucheniya scade, astfel, pozakonu Bouger [2]:
Aici I0 - intensitatea inițială, Il - intensitatea radiației transmise prin l la distanță, în medie, a1 - figura pogloscheniyaveschestva. Deoarece zavisimosteksponentsialnaya, radiația este absorbită foarte repede.
În cazul în care numărul de atomi excitați este mai mare decât neexcitat (adică într-o stare de inversare a populației), situația este inversată. acte de emisie stimulate prevalează asupra absorbției și emisiei amplificate prin lege [2]:
în cazul în care a2 - câștig cuantică. In amplificare cu laser efectivă are loc atâta timp cât amploarea puterii de intrare datorită emisiei stimulate devine egală cu valoarea energiei pierdute în cavitatea [17]. Aceste pierderi sunt asociate cu nasyscheniemmetastabilnogo nivelul substanțelor de lucru, după care pompa de energie vine doar la încălzirea sa, iar prezența unei varietăți de alți factori (împrăștierea de neomogenități, pogloschenieprimesyami, oglinzi reflectorizante nedesavarsit, radiații utile și nedorite în mediu și așa mai departe.).
sistemul de pompare
Diferite mecanisme sunt folosite pentru a crea populația inversă a mediului cu laser. Lazerahona solid efectuat datorită lămpilor bliț iradiere moschnymigazorazryadnymi, sfokusirovannymsolnechnymizlucheniem (așa-numita pompare optică) și alte radiații laser (în particular, semiconductor). Atunci când această operație este posibilă numai în modul de impulsuri, deoarece necesită energiinakachki foarte bolshieplotnosti care cauzează expunerea prelungită la încălzirea puternică și distrugerea tijei substanței de lucru. Laserele de gaz și lichid folosit descărcare nakachkaelektricheskim. Aceste lasere funcționează în modul continuu. Laserele Nakachkahimicheskih are loc prin medii de curgere în reacțiile lor chimice activă. În această inversare a populației are loc fie direct din produșii de reacție, fie la impuritățile introduse este special nivelurile de energie structură corespunzătoare. lazerovproiskhodit Nakachkapoluprovodnikovyh de un puternic pryamogotokacherezp-n joncțiune, precum și puchkomelektronov. Există și alte metode de pompare (gasdynamic constând în stingerea nagretyhgazov pre; photodissociation, caz particular al pompei chimice etc.).
In figura: a - un nivel de trei și B - schema de pompare a patru niveluri de mediul activ.
Clasic trei niveluri de mediu sistem de operare al pompei utilizate, de exemplu, într-un laser cu rubin. Rubinpredstavlyaet soboykristallkorundaAl2 O3. legirovannyynebolshim kolichestvomionovhromaCr 3+. care sunt sursa a radiației laser. Datorită influenței polyakristallicheskoy externe reshotkikorunda hromaE2 nivel de energie electrică hașurată (a se vedea. Efectul Stark). Aceasta este ceea ce face posibilă utilizarea radiație policromatică ca o pompă. Astfel, un atom trece de la starea solului la o energie energieyE0 excitat aproape de E2. În această stare, atomul poate fi relativ scurt (aproximativ 10 -8 s), ea apare aproape imediat tranziție radiationless la nivelul E1. unde atomul poate fi considerabil mai mare (până la 10 -3 s), un nivel metastabil așa-numitul. Există o posibilitate de emisie stimulată sub influența altor fotoni aleatoare. De îndată ce atomii în stare metastabilă devine mai mult decât cea mai mare parte începe procesul de generare.
Trebuie remarcat faptul că, pentru a crea o inversare a populației de atomi de crom Cr prin intermediul pompei direct la nivelul E0 nivel E1 este imposibil. Acest lucru se datorează faptului că în cazul în care absorbția și emisia stimulată să apară între două nivele, ambele aceste procese au loc în același ritm. Prin urmare, în acest caz o pompare poate egaliza populațiile de două niveluri, ceea ce nu este suficient pentru a razei laser.
In unele lasere, cum ar fi Nd, in care lasing apare pe ioni neodimaNd 3+. Acesta utilizează patru niveluri de circuit pompă. Acolo metastabila între E2 și E0 nivelul de bază are un intermediar - un nivel de lucru E1. Stimulat de emisie are loc în timpul tranziției între nivelele atomului E2 și E1. Avantajul acestui sistem este că, în acest caz, este ușor de a satisface inversiune starea populației, deoarece durata de viață a nivelului superior cu laser (E2) de mai multe ordine de mărime mai mare decât durata de viață a nivelului inferior (E1). Acest lucru reduce în mod semnificativ cerințele pentru sursa de pompare. În plus, acest sistem vă permite să creați lasere puternice care funcționează în mod continuu, ceea ce este foarte important pentru unele aplicații. Cu toate acestea, aceste lasere au un dezavantaj semnificativ într-o eficiență cuantică scăzută, care este definit ca raportul dintre energia emisă absorbția energiei fotonice a fotonilor de pompare (ηkvantovoe = hνizlucheniya / hνnakachki)