Реферат: Физические основы работы лазера. Механизм возбуждения

Процесс вынужденного испускания является основой лазерного усиления. Чтобы использовать этот процесс, необходимо электрон, например, в атоме (ионе, молекуле, твердом теле) перевести с более низкого на более высокий энергетический уровень. Чтобы практически реализовать процесс лазерного усиления, указанное состояние необходимо обеспечить не только у отдельного атома, но и у целого ансамбля атомов. Число атомов, занимающих более высокий верхний лазерный уровень должно быть всегда больше заселенности низкого лазерного уровня. Это явление называют инверсией населенности.

Какие существуют возможности получения такой инверсии населенности? Нагревание не подходит, так как по закону излучения Планка (рис. 1.) высокие уровни всегда заселены меньше, чем низкие.

Рис. 1

По закону излучения Планка при нагревании отношение n2 / n1 чисел населенности стремится к 1. Инверсии населенности достичь нельзя.

Возможно вы искали - Реферат: Лейкоцитарный индекс интоксикации у больных с желчно-каменной болезнью.

Облучение светом (оптическая накачка) системы только с двумя энергетическими уровнями даже при значительной интенсивности накачки дает одинаковую населенность обоих уровней. Причина заключается в том, что большая интенсивность облучения кроме поглощения, т.е. заселение верхнего энергетического уровня, приводит также ко многим эмиссиям, т.е. к снижению населенности верхнего уровня. Таким образом, с помощью оптической накачки двухуровневой системе нельзя произвести инверсию населенности. По-другому обстоит дело в системах с тремя и большим числом уровней.

Система с тремя уровнями

Если в системе с тремя энергетическими уровнями (рис. 2.) производится закачка с уровня 1 на уровень 3, то при спонтанной эмиссии, т.е. распаде верхнего уровня, может быть населен уровень 2. Если это долгоживущий уровень, то со временем величина его населенности увеличивается.

Рис. 2. В трехуровневой лазерной системе при очень интенсивной накачке с уровня 1 на уровень 3 можно получить на уровне 2 более высокую населенность, чем на уровне 1.


При очень большой накачке населенность этого второго уровни может быть, по крайней мере, на короткое время, выше, чем населенность нижнего лазерного уровня (основное состояние).

Похожий материал - Доклад: Особенности агрегации тромбоцитов у больных ишемической болезнью сердца

Однако когда лазер начнет работать, инверсия населенности быстро уменьшится. Мощность накачки тогда оказывается недостаточной, чтобы постоянно поддерживать инверсию населенности, так что лазеры с тремя уровнями практически всегда являются импульсными лазерами.

Лазер с четырьмя уровнями.

Если систему с тремя уровнями расширить еще на один уровень 2' между уровнем 1 и уровнем 2 (рис. 3), то можно избежать проблем трехуровневого лазера в отношении короткой по времени инверсии населенности, при условии, что уровень 2' является очень короткоживущим. Если лазерный переход осуществляется с уровня 2 на уровень 2', то уровень 2' при работе лазера в виду его короткого существования постоянно опустошается на основной уровень. В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно постоянно сохранять инверсию населенности между уровнями 2 и 2'. Лазеры с 4-мя уровнями могут поэтому работать в непрерывном режиме.


Рис. 3. В лазерной системе с 4-мя уровнями можно обеспечить даже при слабой накачке инверсию населенности на долгоживущем уровне 2 по отношению к короткоживущему уровню 2'.

Следует обратить внимание на то, чтобы при всех механизмах возбуждения изменения заселенности отдельных уровней происходили по кругу, т.е. заканчивались на основном уровне, что позволяет вступить в новый цикл накачки. Во многих случаях этот цикл накачки заканчивается, по крайней мере, частично, на так называемых «метастабильных триплетных уровнях» (рис. 4). Они практически не распадаются на основное состояние, так что атомы со временен полностью накачиваются в эти метастабильные состояния и впоследствии не могут использоваться в цикле лазерной накачки, таким образом лазерная генерация прекращается. Эту проблему можно частично решить, если лазерную среду постоянно менять, например, посредством прокачки. Другой способ – добавление так называемого буферного газа. Продолжительность существования метастабильного уровня в этом случае сокращается из-за столкновений атомов и молекул, участвующих в лазерной генерации, с атомами или молекулами буферного газа.


Очень интересно - Доклад: Пневмоцистоз

Рис. 4. Если нижний лазерный уровень частично опустошается на метастабильный триплетный уровень, то через некоторое время генерация лазерного излучения прекращается.

Лазерные активные среды

В качестве лазерной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечить инверсию населенности. Это возможно у следующих материалов:

а) свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;

б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;

Вам будет интересно - Курсовая работа: Современный экстракционные лекарства из растительного сырья. Лекарственные формы

в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;

г) легированные полупроводники;

д) свободные электроны.

В одном только элементе неоне наблюдается около 200 различных лазерных переходов.

По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных ларов является подходящей активной средой для слабого СО2 - лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.

Похожий материал - Реферат: Пятнистая лихорадка Скалистых Гор

Известны линии лазерной генерации от ультрафиолетовой области спектра (100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК- диапазоне. Лазеры плавно переходят там в мазеры.

Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Но практическое значение приобрели только два – три десятка типов лазеров.

Медицинское применение ограничивается сейчас CO2 –лазерами, лазерами на ионах аргона и криптона, Nd:YAG – лазерами непрерывного и импульсного режима, лазерами на красителях непрерывного и импульсного режима. He- Ne- лазерами и GaAs- лазерами. Экспериментальные лазеры, Nd:YAG- лазеры с удвоением частоты, Er:YAG- лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.

К-во Просмотров: 81