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El proceso de crear una población inversa se llama. La naturaleza del mundo. Emisión espontánea y forzada. Inversión de la población del nivel de energía. El principio de funcionamiento del láser. Vea qué es "Inversión de población" en otros diccionarios

Para crear un medio activo es necesaria la excitación selectiva de los átomos, lo que asegura la población preferencial de uno o varios niveles de energía. Uno de los más simples y metodos efectivos es el método de bombeo óptico, que se utilizó en la primera L. sobre el rubí. El rubí es un cristal de óxido de aluminio Al2O3 con una mezcla (~ 0,05 %) de iones Cr3+ que reemplazan a los átomos de Al. Niveles de energía del ion Cr3+ en rubí. La absorción de luz correspondiente a las regiones azul y verde del espectro transfiere iones Cr3+ desde el nivel del suelo E1 a niveles excitados que forman dos bandas anchas 1 y 2. Luego, en un tiempo relativamente corto (~ 10 . El exceso de energía se transfiere luego a las vibraciones de la red cristalina. La vida útil de los iones Cr3+ en los niveles E 2 y es de 10-3 seg. Solo después de que haya transcurrido este tiempo, los iones regresan nuevamente al nivel del suelo E1. Las transiciones E2® E1 y ® E1 corresponden a radiación en la región roja del espectro. Si un cristal de rubí se ilumina con luz de una fuente con una intensidad suficientemente alta en las regiones azul y verde del espectro (bandas de bombeo), los iones Cr3+ se acumulan en los niveles E2 y se produce una inversión de las poblaciones de estos niveles con respecto al nivel del suelo se produce E1. Esto hizo posible crear un láser que opera en las transiciones E2® E1 y ® E1, generando luz con una longitud de onda l "0,7 μm.

Para crear una inversión de las poblaciones de los niveles E2 con respecto a E1, es necesario transferir más de la mitad de los iones Cr3+ a los niveles E2, en un tiempo no superior a 10-3 seg. Esto impone grandes exigencias a la potencia de la fuente de bombeo. Las lámparas de xenón de impulso se utilizan como tales fuentes. La duración del pulso de la bomba suele ser de ~ 10-3 segundos. Durante este tiempo, se absorben varios J de energía en cada cm3 del cristal.

El método de crear un medio activo directamente en una descarga eléctrica en varios gases se ha generalizado. Las posibilidades de obtener pulsos de generación de alta energía utilizando este método están limitadas principalmente por la baja densidad del medio de trabajo; la inversión de población es más fácil de obtener en gases comparativamente enrarecidos. Sin embargo, este método hace posible utilizar una amplia variedad de gases atómicos y moleculares y sus mezclas, así como varios tipos de descargas eléctricas en gases, como medio activo para los láseres. Como resultado, fue posible crear láseres que operaran en las regiones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Además, la excitación en una descarga eléctrica hace posible realizar un modo continuo de operación de láseres con una alta eficiencia de convertir energía eléctrica en energía de radiación de láseres (ver Láser de gas).

En la descarga de gas más poderosa L. de acción continua sobre una mezcla de gases moleculares CO2 y N2 (con la adición de una serie de otros componentes), el mecanismo para la formación de inversión de población es el siguiente: los electrones de un gas -descarga de plasma, acelerado por un campo electrico, excita vibraciones de moleculas de N2 durante las colisiones. Entonces, como resultado de colisiones de moléculas de N2 excitadas con moléculas de CO2, se puebla uno de los niveles vibratorios de CO2, lo que asegura la ocurrencia de una inversión de población. Todas las etapas de este proceso son muy eficientes y la eficiencia alcanza el 20-30%.

Posteriormente, resultó posible crear un láser dinámico de gas basado en una mezcla de CO2 y N2, en el que la mezcla de gases se calienta a una temperatura de T ~ 2000 K, se forma un flujo supersónico que, dejando el boquilla, se expande y por lo tanto se enfría rápidamente. Como resultado del enfriamiento rápido, se produce una inversión de las poblaciones de los niveles de trabajo de CO2 (ver Láser dinámico de gas). La eficiencia de convertir la energía térmica en radiación láser dinámica de gas es baja (~ 1%). Sin embargo, los láseres dinámicos de gas son muy prometedores porque, en primer lugar, en este caso se facilita la tarea de crear láseres de gran tamaño y alta potencia y, en segundo lugar, cuando se utilizan fuentes de energía térmica, la cuestión de la eficiencia de los láseres es menos aguda. que en el caso de las lámparas de descarga eléctrica.Al quemar 1 g de combustible (por ejemplo, queroseno), se libera energía del orden de decenas de miles de J, mientras que la energía eléctrica almacenada en los condensadores que alimentan las lámparas de destello es de del orden de 0,1 J por 1 cm 3 del volumen del condensador.

Dado que los enlaces químicos de las moléculas son un dispositivo de almacenamiento de energía exclusivamente intensivo en energía, es prometedor utilizar directamente la energía de los enlaces químicos para excitar partículas, es decir, creación de un entorno activo L. como resultado de reacciones químicas. Un ejemplo de bombeo químico es la reacción de hidrógeno o deuterio con flúor. Si en una mezcla de H2 y F2 k.-l. disociar un pequeño número de moléculas F2, entonces ocurre una reacción en cadena F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F, etc. Las moléculas de HF formadas como resultado de esta reacción se encuentran en un estado excitado y las condiciones de inversión de población se cumplen para una serie de transiciones cuánticas. Si se agrega CO2 a la mezcla inicial, entonces, además de L. en las transiciones HF (l ~ 3 μm), también es posible crear L. en las transiciones CO2 (l = 10,6 μm). Aquí, las moléculas de HF vibratoriamente excitadas juegan el mismo papel que las moléculas de N2 en los láseres de CO2 de descarga de gas. En este caso, una mezcla de D2, F2 y CO2 es más efectiva. En esta mezcla, el coeficiente de conversión de energía química en energía de radiación coherente puede alcanzar el 15%. Los láseres químicos pueden operar tanto en modo pulsado como continuo; desarrollado varias opciones L. química, incluidas las similares a L. dinámicas de gas.

Resultó posible crear un medio activo en los semiconductores de varias maneras: 1) mediante la inyección de portadores de corriente a través de una unión de huecos de electrones; 2) excitación por impacto de electrones; 3) excitación óptica.

Estos métodos, que son ampliamente utilizados, incluyen los últimos cinco grupos de métodos mencionados en 1. Considerémoslos en orden.

1. El método de bombeo externo o excitación externa de un sistema multinivel. Actualmente, este método ha recibido la mayoría generalizado en dispositivos cuánticos, tanto en másers como en láseres de estado sólido y líquido. También se utiliza parcialmente en láseres de gas. Por lo general, utiliza transiciones de tres niveles o, como se suele decir, sistemas de tres niveles. La esencia del método es la siguiente. Imaginemos tres niveles (Fig. 6a), uno de los cuales (el inferior) corresponde a la posición normal no excitada del electrón, y los dos superiores corresponden a los niveles de excitación. Supongamos que es necesario amplificar las oscilaciones, es decir la transición de trabajo es la transición 3-2. Para crear una población inversa de niveles 3,2, el medio se irradia desde el exterior con cuantos de energía que transfieren partículas del nivel 1 al nivel. Estos cuantos, o, como se les llama, cuantos de bombeo, crean una mayor población de niveles 3 en comparación con a los niveles 2, y por lo tanto, cuando se trata de señal (quanta), esta señal es amplificada por transiciones 3-2 inducidas. Habiendo pasado al nivel 2 después del evento de amplificación, la partícula vuelve a caer al nivel 1 debido a una transición cuántica espontánea (la flecha ondulada en la Fig. 6a). En lo que sigue, las transiciones espontáneas se denotarán con flechas onduladas y las transiciones inducidas con líneas rectas. Un ejemplo de dispositivos cuánticos que utilizan este método son los maseres paramagnéticos, que pueden operar solo a temperaturas ultrabajas (4,2 K) y en los que los niveles de energía 1,2,3 aparecen debido al desdoblamiento debido al efecto Zeeman de un nivel en constante magnética externa. campo, así como una serie de láseres atómicos moleculares y de vapor de metal de gas iónico.

Además del método que se muestra, también se puede usar un método en el que la transición 2-1 sirve como transición de trabajo, cuando los cuantos de la bomba siguen siendo cuantos y los cuantos de la señal son cuantos (consulte la Fig. 6b). Un ejemplo de un láser que opera según el esquema de la Fig. 6b puede servir como un láser de rubí. Los dispositivos cuánticos a menudo usan varios tipos de bombeo externo de sistemas de cuatro niveles (Fig. 7a, b, c, d). En este caso, se pueden utilizar métodos ordinarios directos o de un solo cuanto, ilustrados por los diagramas de la Fig. 7 a, b, en el que la transición de trabajo es una transición 4-3 o una transición 3-2. (Láseres a base de granate de aluminio-itrio, sobre vidrio dopado con neodimio). Además, en los sistemas de cuatro niveles, se pueden usar métodos de bombeo doble (o, como también se les llama, secuencial o bicuántica), que se pueden implementar en los casos en que dos distancias de energía cualesquiera entre los niveles del sistema son las mismo. Consideraremos dos de estos métodos utilizados en máseres paramagnéticos:

1) Método de duplicación de frecuencia de radiación auxiliar.

La implementación de este método es clara en el diagrama de la Fig. 7,c y es posible cuando

donde los quanta son quanta de bomba, y los quanta

cuantos de señal;

2) El método de excitación simétrica o, como se le llama, el método de bombeo push-pull. Su esquema se muestra en la fig. 7, g. Este método de doble bombeo se realiza en rubí en un ángulo entre el eje de simetría del cristal y el campo externo igual a. En este método, los cuantos de señal son cuantos y los cuantos de bomba son cuantos. El método es posible, obviamente, en el caso en que se lleva a cabo en un rubí en un ángulo de doble bombeo.

Los métodos de doble bombeo generalmente hacen posible obtener un grado mucho mayor de inversión de población nivelada que los métodos de bombeo ordinarios. En los másers de estado sólido, el rubí, el rutilo o los tungstatos (sales del tipo where) se utilizan con mayor frecuencia como sustancias paramagnéticas, y en los láseres de estado sólido, además del rubí, se utilizan vidrio activado con neodimio y granate de itrio-aluminio. utilizado a menudo.

Los sistemas de cuatro niveles se han generalizado recientemente en los láseres líquidos. Los láseres líquidos actualmente tienen dos variedades: láseres líquidos basados en medios líquidos inorgánicos y tintes orgánicos. El primer grupo son los láseres que utilizan soluciones de sales del elemento de tierras raras neodimio en líquidos inorgánicos. Pueden considerarse análogos de los láseres de estado sólido que utilizan vidrio dopado con neodimio.

El segundo grupo utiliza moléculas de tinte orgánico. La estructura energética de tal molécula contiene una gran cantidad de subniveles vibracionales-rotacionales, que están presentes tanto en el estado fundamental de la molécula como en el estado excitado. Bajo la influencia de cuantos de bombeo externos, que pueden ser la radiación de una lámpara de destellos u otro generador cuántico, las moléculas pasan del nivel 1 del estado fundamental al nivel superior 4 del estado excitado. Entonces, por una transición no radiativa, la molécula entra en el nivel inferior 3 del estado excitado, emite un cuanto de trabajo, cae al nivel superior 2 del estado fundamental y luego, con la ayuda de una transición no radiativa, se encuentra de nuevo en el nivel del estado fundamental. Por lo tanto, los láseres líquidos basados en moléculas de colorantes orgánicos funcionan según un sistema de cuatro niveles. La gran ventaja de tales láseres es la posibilidad de obtener con su ayuda diferentes longitudes de onda de las ondas generadas, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. Para hacer esto, necesitas usar diferentes tipos de tintes.

Cabe señalar que, hasta ahora, al considerar las transiciones cuánticas en sistemas multinivel, solo se han indicado transiciones cuánticas útiles, es decir, solo aquellas transiciones que determinan directamente el funcionamiento de los dispositivos cuánticos. Sin embargo, además de ellos, hay una serie de transiciones inducidas inútiles que siempre acompañan a las transiciones útiles mencionadas, pero en la mayoría de los casos son inversas con respecto a las transiciones útiles y también afectan de manera bastante significativa la población de nivel y, en consecuencia, el funcionamiento de cuántica. dispositivos. El esquema completo de todas las transiciones en un sistema de tres niveles (ver Fig. 7, a) tiene la forma que se muestra en la fig. 6c, con flechas dobles que muestran transiciones útiles; y los solos son inútiles. Las transiciones espontáneas que se muestran en este esquema a los niveles superiores desde los inferiores generalmente se llevan a cabo en los sólidos debido a las vibraciones térmicas de la red, considerada aquí como un factor aleatorio y, por regla general, tienen una probabilidad relativamente baja.

2. Método de excitación de un sistema multinivel por vibraciones acústicas (ultrasónicas o hipersónicas). En principio, este método no es diferente del anterior, solo que en él se llevan a cabo una o ambas transiciones inducidas útiles debido a la acción de vibraciones acústicas (generalmente ultrasónicas o hipersónicas), y no debido a vibraciones electromagnéticas, como en el caso anterior. En otras palabras, en este método, los cuantos de trabajo, o cuantos de bombeo, no son fotones, sino fonones.

Obviamente, para implementar este método, un sistema cuántico debe, en primer lugar, transmitir bien el ultrasonido o el hipersonido y, en segundo lugar, debe colocarse dentro del resonador acústico ultra o hipersónico correspondiente. En este caso, puede haber tres tipos de sistemas cuánticos que utilicen transiciones cuánticas debidas a fonones, es decir Puede haber tres tipos de sistemas llamados masers acústicos:

1) Sistemas con excitación de fonones, que sirven para obtener amplificación de ultra o hipersonido. En estos sistemas, la bomba y la señal son vibraciones ultrasónicas o hipersónicas transmitidas desde el exterior por medio de vibradores piezoeléctricos apropiados que convierten la energía electromagnética ordinaria en estas vibraciones;
2) Sistemas con excitación electromagnética, que sirvan para amplificar o generar vibraciones ultrasónicas o hipersónicas. En estos sistemas, el bombeo se realiza mediante fotones, y la señal es un flujo de fonones, y es obvio que tal sistema, si es resonante, debe colocarse tanto dentro de un resonador electromagnético (por bombeo) como dentro de un acústico. resonador (por señal).

Son estos dos tipos de sistemas los que a menudo se denominan máseres acústicos;

3) Sistemas con excitación por vibraciones ultrasónicas o hipersónicas, que sirven para amplificar o generar vibraciones electromagnéticas. Tal sistema, que es, por así decirlo, el inverso del sistema anterior, a menudo se denomina máser acústico inverso. Simplemente representa el sistema multinivel que nos interesa, excitado por fonones.

Dado que los fonones, al igual que los fotones, son cuantos de energía, todas aquellas consideraciones generales que se discutieron en el pasado sobre las transiciones cuánticas asociadas con la acción de los fotones también se aplican al caso de la acción de los fonones.

Un método para obtener inversión de población nivelada debido a la excitación por descarga de gas. Este método, utilizado en láseres, a pesar de su uso muy amplio, está todavía mucho menos estudiado en detalle que todos los métodos anteriores. Su esencia radica en el hecho

que los átomos, iones o moléculas en una descarga de gas, generalmente bajo la influencia de varios tipos de colisiones, se excitan de acuerdo con sistemas de tres o cuatro niveles. Los detalles del circuito de excitación pueden estar en diferentes sistemas y para niveles diferentes muy diferente, y el sistema puede ser generalmente de varios niveles. Los láseres de descarga de gas se pueden dividir en láseres atómicos, iónicos y moleculares según la naturaleza del medio utilizado y en parte según las características del mecanismo para la formación de inversión de población. Los láseres atómicos, con la excepción del láser de neón-helio que opera en el rango de luz visible, generan generación en el rango de longitud de onda infrarroja. Los láseres iónicos, que utilizan transiciones entre los niveles de energía de gases ionizados como argón, cadmio, selenio, vapor de mercurio, etc., generan generación principalmente en la región de luz visible y son las principales fuentes de radiación azul y verde y líneas ultravioleta. Los láseres moleculares pueden producir un espectro más amplio de radiación, desde el infrarrojo hasta las líneas ultravioleta. Sin embargo, entre un número de diferentes tipos posibles de excitación de átomos o moléculas en una descarga de gas, se pueden distinguir algunos mecanismos básicos de excitación que desempeñan el papel principal en varios sistemas láser de descarga de gas. Consideraremos tres de estos tipos de excitaciones: 1) debido a colisiones; 2) por la disociación de la molécula; 3) electroionización y fotoionización.

Las excitaciones de colisión pueden, a su vez, dividirse en dos grupos:

a) excitación de átomos o moléculas de un gas en colisiones inelásticas con electrones. En este caso, la transición 1-3 se realiza bien por impacto directo de un electrón en una descarga de gas, bien por una serie de excitaciones sucesivas de un nivel a otro, que tiene una gran energía. Solo un número relativamente pequeño de tipos de átomos pueden excitarse de esta manera. Un ejemplo es la excitación por una colisión directa de uno de los niveles de la serie en el átomo de neón (el segundo nivel desde arriba en términos de energía en la estructura hiperfina, para que pueda designarse):

La transición de trabajo en este caso es la transición

correspondiente a la longitud radiada µm.

La excitación más intensa de un átomo por el impacto de un electrón ocurre en este caso, cuando la energía del electrón incidente es ligeramente mayor que el umbral de energía de excitación del átomo. Un ejemplo de excitación por una serie de colisiones sucesivas con electrones es la excitación de moléculas en láseres basados en una mezcla de u;

b) excitación por colisiones en una descarga de gas en presencia de impurezas. La inversión de población de niveles puede obtenerse con una intensidad mucho mayor si se utiliza una mezcla de gases razonablemente seleccionada, de forma que la excitación de los átomos del gas principal A se produzca no sólo por colisiones con electrones, sino también por la pérdida de energía resonante. desde átomos de gas impuro excitados por colisiones hasta niveles metaestables B. Así, el proceso de excitación del átomo procede hasta cierto punto de la siguiente manera. Los átomos B debido a las colisiones con los electrones reciben una excitación correspondiente a la transición. Es deseable que el nivel sea metaestable y que no existan niveles intermedios entre los niveles y . Este caso se realiza, por ejemplo, en átomos de helio para transiciones de parahelio-ortohelio y (este último en presencia de un nivel intermedio con una transición prohibida).

Además, la distancia de energía debe estar cerca de A partir de estas consideraciones, debe seleccionar el gas. Debido a la metaestabilidad, los átomos excitados viven durante un tiempo relativamente largo y, al chocar con los átomos, les transfieren su energía de excitación de acuerdo con el esquema.

De esta manera, era posible obtener generación sobre una serie de mezclas de átomos de gases inertes y moléculas, por ejemplo, sobre. En este caso, el papel de los átomos de impureza lo juegan los átomos en los dos primeros casos, y los átomos y las moléculas en los últimos casos. Este papel en una serie de casos resulta ser decisivo en la posibilidad de obtener láser. Así, por ejemplo, en ausencia de impurezas, debido a la excitación puramente electrónica por colisión, fue posible obtener generación en solo tres transiciones, mientras que en una mezcla el número de transiciones generadas en varias condiciones llega a veintidós. Del mismo modo, puro generado solo en dos transiciones, y en una mezcla de diecisiete transiciones. Y hay muchos ejemplos de este tipo.

Consideremos el método de excitación debido a la disociación de moléculas. Este método se basa en el siguiente proceso. Una molécula que consta de dos átomos y, bajo la influencia de una colisión con un electrón o con otra molécula, o con un átomo, o con un fotón, resulta estar en un estado excitado, del cual emerge por disociación en átomos, y uno de ellos resulta estar emocionado. El proceso se describe mediante la ecuación

Sin embargo, por regla general, un cuanto de luz, un fotón, actúa como una partícula que golpea una molécula, y el proceso se llama fotodisociación y tiene una alta eficiencia. Dado que el método de disociación se puede implementar en ausencia de una descarga de gas, este método a menudo se denomina método químico para obtener inversión de población. En uno de los primeros láseres que utilizaron este método, el gas se irradió con la luz de una lámpara de destello de alta potencia, lo que provocó la fotodisociación en un patrón, y luego los átomos de yodo excitados se emitieron con láser a una longitud de onda de µm. Dado que grandes volúmenes de gas pueden someterse a fotodisociación, los láseres de yodo pueden producir una alta potencia de salida pulsada y continua. Suponiendo que el proceso de disociación está descrito por un sistema de transformaciones de la molécula y anotando dos ecuaciones de la cinética de este proceso para las concentraciones correspondientes de las partículas consideradas

donde es la probabilidad por unidad de tiempo de fotoexcitación de la molécula; - la probabilidad correspondiente de su formación en la colisión de un átomo y un átomo;

y son las probabilidades de transiciones espontáneas e inducidas por unidad de tiempo, es posible, teniendo en cuenta (4), de la versión estacionaria (24) obtener un análogo de la fórmula (9):

donde es la intensidad (flujo de potencia) de la radiación, y el valor aproximado de se obtuvo bajo el supuesto de un proceso de recuperación de moléculas suficientemente rápido, cuando su concentración total es tan alta que y.

Consideremos el método de excitación de electroionización y fotoionización de láseres de descarga de gas, el primero de los cuales ya se mencionó en la Sec. 2. al describir el método para obtener moléculas de excimer.

Una de las tareas principales de la tecnología láser es el problema de aumentar la energía de radiación tomada de una unidad de volumen del gas excitado. Para resolver este problema, es necesario aumentar la presión del gas. En este caso, la energía de los electrones en la descarga se gasta, en primer lugar, en la creación de conductividad de plasma (ionización) y, en segundo lugar, en la excitación de partículas de gas activas. Sin embargo, los valores óptimos de la energía de los electrones necesarios para realizar cada una de estas funciones son diferentes, lo que reduce significativamente la eficiencia del sistema. Para realizar por separado estas funciones (ionización y excitación), con el fin de aumentar la eficiencia del sistema, se utiliza un método de electroionización, que consiste en que se inyecta un flujo adicional de electrones en la región de descarga, que sirven para ionizar el gas. átomos, es decir para crear conductividad de plasma. En este caso, el voltaje en los electrodos se puede reducir para que sea óptimo para la excitación de los átomos de gas.

En un dispositivo que utiliza el método de electroionización, a través de un orificio en el cátodo del espacio de descarga, los electrones ingresan a la región entre los electrodos de descarga, provenientes de un volumen de vacío separado de la región de descarga, en el que la presión es cercana a la atmosférica, por delgadas papel de aluminio. Los electrones creados por el cañón de electrones o sistema de cañón bombardean esta hoja con alta energía (del orden de 100 keV) y penetran a través de ella en la región de descarga a velocidades que son óptimas para la ionización. Dado que el sistema funciona en modo pulsado, la lámina no tiene tiempo para quemarse. Espejos especiales forman un resonador Fabry-Perot en el espacio de descarga, y uno de los espejos libera cuantos de generación.

El método de fotoionización difiere del método de electroionización en que la ionización en el espacio de descarga se lleva a cabo mediante irradiación externa con luz y no mediante electrones rápidos.

Método gas-dinámico para la obtención de población inversa. Este método fue propuesto por los físicos soviéticos V. K. Konyukhov y A. M. Prokhorov en 1966. Su idea es la siguiente. Si calentamos un gas que consta de átomos o moléculas que tienen un sistema de tres niveles (Fig. 8), en el que la probabilidad de transición espontánea es mucho mayor que la probabilidad de transición espontánea y mayor que la probabilidad de transición, entonces al calentar el número de moléculas excitadas ubicadas en los niveles 2 será mayor que el número de moléculas que están en los niveles 3, porque .

Sin embargo, si este gas se enfría rápidamente, entonces se retendrán más moléculas en los niveles 3 que en los niveles 2 debido al hecho de que también se creará una población inversa en la transición durante algún tiempo. En la fig. La figura 8 muestra el cambio en el tiempo t, transcurrido desde el momento del enfriamiento del gas, en el número de moléculas excitadas que se encuentran en los niveles u. Se puede ver que en La configuración que implementa este método basado en el uso de moléculas se muestra en la Fig.

El combustible líquido entra en la cámara de combustión 1 a través del tubo 2, ya través de los tubos 3 y 4 el oxígeno y las moléculas que actúan como impurezas. Con la ayuda del dispositivo de encendido 5, el combustible se enciende y se forma una mezcla caliente de gases, que tiene una composición relativa

entra a temperatura a alta presión en la boquilla 6, desde donde esta mezcla entra en un gran volumen 7 a velocidad supersónica, donde se produce una rápida expansión y, en consecuencia, un rápido enfriamiento del gas. En este caso, el gas enfriado se encuentra en la región del resonador de Fabry-Perot formada por los espejos 8 y 9, donde tiene lugar la desexcitación inducida de las moléculas y la generación del láser.

Dichos láseres dinámicos de gas permiten actualmente obtener una potencia continua del orden de 500 kW.

5. Los métodos de plasma para obtener la inversión de población se basan en el hecho de que en un plasma frío (a diferencia de un plasma de descarga de gas caliente) los electrones tienen velocidades bajas y, por lo tanto, se recombinan intensamente con los iones en masa. Al mismo tiempo, ocupan los niveles energéticos superiores vacíos del átomo y forman así átomos excitados en el nivel superior, creando una población inversa con respecto a los niveles inferiores de excitación de los átomos. Si y es la concentración de iones y átomos excitados a los niveles superior e inferior, entonces las ecuaciones de la cinética de los procesos serán:

donde la probabilidad de que un ion por unidad de tiempo se recombine con un electrón al aterrizar en el nivel superior, es la probabilidad de purificación espontánea del nivel inferior por unidad de tiempo; y son las probabilidades correspondientes de transiciones espontáneas e inducidas. De las versiones estacionarias de las ecuaciones (26.), teniendo en cuenta (4.), tenemos una expresión como (9.):

De (27) se sigue que para aumentar es necesario aumentar, es decir despeje el nivel inferior lo más rápido posible. El problema de limpiar el nivel de trabajo inferior es uno de los principales problemas en los métodos de descarga de gas y plasma para obtener inversión de población. Hay cuatro mecanismos principales para esta limpieza:

1. debido a la transición espontánea a un nivel de energía más bajo (o principal) (purificación por radiación);
2. transfiriendo la energía de excitación del nivel inferior a electrones de plasma libres enfriados al chocar con ellos;
3. debido a colisiones inelásticas con átomos de gas de impureza especialmente agregados, y la energía de excitación de nivel inferior puede ir a la transferencia de excitación resonante a un átomo de impureza vecino, o a su ionización, o a aumentar la energía cinética de su movimiento (impacto del segundo tipo). Al agregar el número requerido de átomos de impureza encontrados con éxito, es posible aumentar significativamente u;
4. químico, cuando los átomos de impurezas especialmente agregados entran activamente en una reacción química con átomos ubicados precisamente en los niveles más bajos de excitación, formando nuevas moléculas y reduciendo así el volumen de plasma.

De acuerdo con los métodos de implementación, los láseres de plasma (recombinación) se dividen en pulsados, de haz de electrones, de bombeo nuclear, plasmodinámicos y plasmoquímicos. En los láseres pulsados, la generación se lleva a cabo tras el paso de una potente descarga pulsada en un gas compuesto por una mezcla de gases de trabajo y tampón, sirviendo este último también para enfriar rápidamente los electrones durante la postluminiscencia de la descarga, cuando tiene lugar la generación del láser. . (Un ejemplo son los láseres en vapores ionizados de metales alcalinotérreos :). En los láseres de haz de electrones y los láseres de bombeo nuclear, un haz de electrones de ionización de gas rápido o fragmentos de ionización de gas de reacciones nucleares obtenidos de reactores nucleares estacionarios o durante explosiones nucleares especialmente creadas se introducen en el gas de trabajo en frío desde el exterior ( es de esta última manera que intentan implementar un láser, generando rayos X).

En los láseres plasmodinámicos, la generación se lleva a cabo en las secciones de enfriamiento de un chorro de plasma en movimiento libre, formado previamente con la ayuda de una descarga de gas, en un chorro de gas que atraviesa la sección de descarga, o formado de alguna otra manera. En este caso, el chorro puede enfriarse rápidamente por expansión, aumentar su densidad por compresión en un campo magnético longitudinal, ya sea externo o implementado por efecto pinch, etc.

Los láseres de plasma químico se caracterizan por varios métodos químicos de limpieza del nivel de trabajo inferior.

4. Ecuaciones para la cinética de cambios en la población de niveles en sistemas cuánticos multinivel y condiciones para población inversa

Un análisis de las condiciones para la obtención de una población inversa en sistemas multinivel y la cinética de los procesos de esta obtención se puede realizar con diversos grados de aproximación. Tres enfoques diferentes para este análisis se discutirán a continuación.

1. Análisis basado en tener en cuenta solo dos niveles de trabajo de un sistema multinivel. Tal esquema, mostrado en la Fig. 10 ya se ha utilizado en el análisis de métodos de plasma para obtener inversión de población, y si en las ecuaciones (26.) reemplazamos (tasa de bombeo externa de nivel 2), entonces estas ecuaciones describirán la cinética de los procesos en la aproximación considerada, y la versión estacionaria de la solución de estas ecuaciones da la expresión (27 .), que es análoga a la relación general (9.), y tiene la forma

de donde se deduce que no se puede obtener la población inversa estacionaria de los niveles de trabajo en. Tal transición de trabajo, en la cual, se llama autobloqueo. Un ejemplo de tal transición es un láser de vapor de cobre. Es posible obtener una población invertida en dicho láser solo en la etapa inicial del proceso transitorio correspondiente al borde de ataque del pulso de corriente de descarga. Analicemos este proceso transitorio sobre la base de las ecuaciones (26.), en las que establecemos (no hay señal externa). En este caso, de la primera ecuación bajo las condiciones iniciales

; resulta

que después de la sustitución en la segunda ecuación (26.) y la integración bajo las condiciones iniciales

da una expresión

definir el proceso de cambio. De (29.) se deduce que, por lo tanto, el curso de la función para varias razones entre y será como se muestra en la Fig. 11, y de las ecuaciones (26) se puede obtener que este curso está descrito por la relación y tiene un máximo en

De la Fig. 11 se deduce que, de hecho, hay una desigualdad en la transición de cierre automático durante el período inicial. Como se sigue de la versión estacionaria de las ecuaciones (36)

luego, restando la segunda ecuación (36) de la primera y sustituyendo a partir de estas igualdades aproximadas (para el modo no estacionario), podemos obtener la ecuación

describiendo aproximadamente la cinética del proceso en el caso y en. Esta ecuación se usa a menudo para el análisis aproximado de transitorios en sistemas láser.

2. Análisis de un sistema de tres niveles con una transición de trabajo superior, teniendo en cuenta el llenado espontáneo de los niveles superiores. Dicho llenado debe tenerse en cuenta en el caso de máseres paramagnéticos, cuando las transiciones térmicas espontáneas afectan significativamente el comportamiento del sistema, especialmente a temperaturas distintas a las criogénicas. El esquema en consideración corresponde a la Fig. 6, a, c y en el caso de bombeo por cuantos de luz, las ecuaciones de la cinética de cambios en las poblaciones (concentraciones de los átomos correspondientes), y los niveles 1,2 y 3 tienen la forma

además, como la concentración resultante de átomos activos

(En (31) y en (32) las cantidades son las probabilidades de transiciones espontáneas por unidad de tiempo del i-ésimo nivel al j-ésimo, a son las probabilidades correspondientes de transiciones inducidas).

Si encontramos a partir de (34), (31) y (32), luego restando todos los términos (32) de (34), podemos obtener una ecuación para la diferencia que determina dy/dt. Si todos los términos de esta ecuación se derivan con respecto al tiempo, sustituyendo

es posible, después de determinar a partir de (34), (3l) y (32) y sustituir su valor de la ecuación por dy/dt , obtener la ecuación final que determina en el caso general la dependencia y= f(t )

De las relaciones (З5) - (41) se puede obtener un valor estacionario, y los parámetros incluidos en estas relaciones tienen un claro significado físico. Entonces, en ausencia de bombeo, cuando, se obtiene la expresión

de lo que se deduce que

hay un valor en ausencia de señal y bombeo. La comparación de (42) con (3)-(5) muestra que - es el tiempo de relajación espontánea (tiempo de vida de excitación) de la transición de señal 32 en ausencia de bombeo. Se puede demostrar que hay un tiempo de relajación similar de la transición de la bomba 31 en ausencia de una señal, cuando. De (33) y (39) se puede obtener la relación

que determina la población del nivel 1 en.

El valor estacionario se puede representar en una forma similar a la expresión (9):

de donde se sigue que, en el caso general, la inversión de población (i.e.) puede obtenerse sólo cuando (), y en presencia de una bomba suficientemente grande, tal que

Comparando Expresiones

(42) y (44), (45), se puede verificar que el tiempo efectivo de relajación de la excitación de niveles de transición de señal

disminuye con el aumento de bombeo en, . De (44) se deduce que la inversión de población de los niveles de la transición de señal () es proporcional al valor

que se puede estimar asumiendo que en ausencia de influencia externa de la población, se cumple la ley de Boltzmann:

De donde se sigue que para masers con pocos

en comparación con kT a temperatura ambiente (a = 10 GHz ya T = 300 K), para aumentar () es necesario disminuir T. Por lo tanto, los máseres pueden operar normalmente solo a temperaturas criogénicas. Físicamente, esto se explica por el hecho de que el movimiento térmico arroja partículas sobre más niveles altos, igualando las concentraciones de partículas a diferentes niveles y, por lo tanto, reduciéndolas.En los láseres, donde el intervalo de energía es suficientemente grande, generalmente no hay necesidad de bajar la temperatura.

Análisis de sistemas de tres y cuatro niveles sin tener en cuenta el llenado espontáneo de los niveles superiores. Para máseres a temperaturas criogénicas y láseres a temperatura ambiente, las transiciones espontáneas a niveles superiores pueden despreciarse con un buen grado de aproximación; asumir en, de modo que, como sigue de (37)-(41), (43), (46), los parámetros considerados tienen los valores

de modo que la diferencia de población estacionaria también se obtiene en forma de expresión (9)

Puede verse a partir de la expresión (52) que en el momento en que la transición de trabajo 32 se vuelve autoblocante. Cálculos de parámetros simples

base (50), (5l) muestran que

al cambiar en un amplio rango.

En los sistemas amplificadores (especialmente en los másers) la señal suele ser pequeña y se puede suponer que de (52) se sigue la expresión

el cual muestra , que en, cuando, se produce la inversión de los niveles de población de la transición de señal 32 con un bombeo arbitrariamente pequeño. Veremos que no es así para el caso de transición laboral 12. Con un bombeo muy fuerte (), las poblaciones de los niveles 1 y 3 se igualan (lo que se mostrará a continuación) y de (55) se deduce que el parámetro es una ecuación cinética multinivel de dos niveles

determina la inversión de población relativa más grande que ocurre en, . Además, porque en este caso

entonces las relaciones

determinar las poblaciones de niveles en un sistema de tres niveles en ausencia de una señal y con un bombeo muy fuerte.

Consideremos un sistema de tres niveles con una transición de trabajo 2I , cuya aplicación típica es un láser de rubí. En este caso, para para , cuando el esquema de la Fig. 6b es válido, las ecuaciones cinéticas similares a (31) y (32) tendrán la forma

y su versión estacionaria después del reemplazo da una solución en forma de relación (9):

todavía se determina a partir de (50) y (51). De (60) y (61) se deduce que la inversión de población en este caso sólo puede tener lugar para, cuando y para un bombeo tan grande que

(en contraste con el caso de usar la transición 32 como una de trabajo). Para el caso de no señal () se puede obtener de (61) y (55) que

por lo que a lo mencionado anteriormente.

Por lo tanto, cuando se usa la transición 32 para , la inversión de población generalmente ocurre con un bombeo más bajo que cuando se usa la transición 12 para .

Consideremos un sistema cuántico de cuatro niveles con una transición de trabajo 32 como una señal (ver Fig. 7b). Tal sistema se implementa en un láser de vidrio activado por neodimio, en láseres de colorante líquido, etc. Las ecuaciones para la cinética de cambios en las poblaciones de niveles cuánticos tienen en este caso la forma

De la versión estacionaria () de estas ecuaciones, se sigue que la diferencia de población inversa de la transición de trabajo, escrita en la forma (9), tiene el valor:

De (66) se deduce que en este sistema, así como en un sistema de tres niveles con una transición de trabajo 32, la inversión de población se establece en un bombeo arbitrariamente pequeño (), pero solo si la desigualdad

Si se viola esta desigualdad, la transición 32 en el sistema de cuatro niveles se cerrará automáticamente y el sistema es capaz de operar solo en los períodos iniciales de excitación pulsada.

Consideración en las secciones 2-4 de modos estacionarios varios tipos sistemas cuánticos muestra que todos tienen el mismo tipo de no linealidad, lo que determina la dependencia de la ganancia de la intensidad I del campo de ondas de luz de acuerdo con las expresiones generales e idénticas (8), (9), (11), ( 14), (20 ), (22), (27), (28), (44), (60), (65).

Esto permite construir una teoría de varios tipos de autoosciladores cuánticos según un único plan, analizar su comportamiento y optimizar sus parámetros según un esquema común a todos estos dispositivos.

La población inversa es la concentración de átomos con el mismo estado de energía; en equilibrio termodinámico obedece a la estadística de Boltzmann:

¿Dónde está la concentración de átomos, el estado de los electrones en el que corresponde a los niveles de energía con energía y .

Cuando la concentración de átomos no excitados es mayor que la de los excitados, el valor Δn = es negativo, por lo que la población es normal. Cuando la concentración de átomos excitados es mayor que la de los no excitados (que está asegurada por la acción de la energía de bombeo), el valor de Δn se vuelve positivo, es decir, se produce una inversión de población y la radiación transmitida puede amplificarse debido a los átomos excitados.

Formalmente, la condición Δn > 0 se cumple a una temperatura negativa absoluta T< 0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.

En los láseres semiconductores, la inversión entre poblaciones niveles de energía Las bandas de conducción y valencia se logran mediante la inyección de portadores en una polarización positiva de la unión p-n.

Amplificación láser

La amplificación láser es una amplificación de la radiación óptica basada en el uso de radiación inductora: cuando un cuanto de radiación actúa sobre un átomo en un estado excitado, un electrón pasa de un estado con energía a un estado con energía, acompañado de la emisión de una radiación. cuanto con una energía igual a la energía del cuanto conductor hν = - .

En un medio con una concentración suficiente de átomos excitados, cuando la radiación lo atraviesa, se puede obtener un modo de amplificación si el número de fotones formados es significativamente mayor que las pérdidas por absorción y dispersión.

El láser de inyección se muestra en la Figura 1.3

Arroz. 1.3 Esquema del dispositivo de un láser de inyección de semiconductores (diodo láser)

En la figura 1. La figura 4 muestra la posición del nivel de Fermi en semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Una de las propiedades importantes del nivel de Fermi es que en un sistema que consiste en semiconductores de tipo n y p, y si no se les aplica voltaje, sus niveles de Fermi están alineados (Fig. 1.4 a). Y si están bajo diferentes potenciales, entonces los niveles de Fermi en ellos se desplazan por la magnitud de la diferencia de potencial (Fig. 1. 4. b).

Figura 1. Fig. 4. Diagrama de energía de un láser semiconductor de inyección: unión p-n sin tensión externa aplicada (a); unión p-n cuando se aplica un voltaje externo en la dirección directa (b). d es el ancho de la unión p-n, l es el ancho real de la región que asegura el funcionamiento del láser.

En este caso, en zona p-n transición, se crea una población inversa y los electrones hacen una transición de la banda de conducción a la banda de valencia (recombinación con huecos). En este caso, se emiten fotones. Así es como funciona el LED. Si se crea una retroalimentación positiva para estos fotones en forma de un resonador óptico, entonces en área p-n transición a grandes valores de la tensión externa aplicada, es posible obtener láser. En este caso, el proceso de formación y recombinación de los portadores fuera del equilibrio ocurre caóticamente y la radiación tiene una potencia baja y es incoherente y no monocromática. Esto corresponde al modo de funcionamiento LED del emisor de semiconductores. Con un aumento en la corriente por encima del valor umbral, la radiación se vuelve coherente, su ancho espectral se reduce considerablemente y la intensidad aumenta bruscamente: comienza el modo de operación láser del emisor de semiconductores. En este caso, también aumenta el grado de polarización lineal de la radiación generada.

En la figura 1. 5 muestra esquemáticamente el diseño de un láser semiconductor y la distribución de intensidad de la radiación de salida. Como regla general, en tal láser, el resonador se crea puliendo dos lados diametralmente opuestos del cristal, perpendiculares al plano de la unión p-n. Estos planos se hacen paralelos y pulidos con un alto grado de precisión. La superficie de salida se puede considerar como una rendija a través de la cual pasa la radiación. La divergencia angular de la radiación láser está determinada por la difracción de la radiación de esta rendija. Con un espesor de unión p-n de 20 µm y un ancho de 120 µm, la divergencia angular corresponde a aproximadamente 60 en el plano XZ y 10 en el plano YZ.

Figura 1. 5. Diagrama esquemático de un láser de unión p-n. unión p-n de 1 área (capa activa); 2-sección del rayo láser en el plano XY.

Las llamadas heteroestructuras de semiconductores se utilizan ampliamente en los láseres de semiconductores modernos, para cuyo desarrollo Zh. Los láseres basados en heteroestructuras tienen mejores características, por ejemplo, mayor potencia de salida y menor divergencia. Un ejemplo de una heteroestructura doble se muestra en la fig. 1. 6, y su esquema energético - en la fig. 1.7.

Arroz. 1.6. Heteroestructura doble semiconductora. 1 capa metalizada conductora para crear contacto eléctrico; GaAs de 2 capas (n); 3 capas Al0.3Ga0.7As (n); 4 capas correspondientes a la zona de inyección del portador de carga (unión p-n); 5 capas Al0.3Ga0.7As (p); GaAs de 6 capas (p); 7-capa de óxido de metal no conductor para limitar la corriente a través de la unión p-n, formando la zona de generación de radiación; 8,9 capas adyacentes para crear contacto eléctrico; 10-sustrato con disipador de calor.

Arroz. 1.7 El esquema energético de la doble heteroestructura, el eje Y y los números de las capas corresponden a la fig. 1. 6. ΔÅgc-banda prohibida; ΔEgv es la banda prohibida de la unión p-n.

Arroz. 1. 8. Láser semiconductor con heteroestructura: l - longitud del resonador

entorno activo

Un medio activo es una sustancia en la que se crea una población inversa. En diferentes tipos de láseres, puede ser sólido (cristales de rubí o granate de aluminio itrio, vidrio con una mezcla de neodimio en forma de varillas de varios tamaños y formas), líquido (soluciones de colorantes de anilina o soluciones de sales de neodimio en cubetas) y gaseosa (una mezcla de helio con neón, argón, dióxido de carbono, vapor de agua baja presión en tubos de vidrio). Materiales semiconductores y plasma frío, productos reacción química también emiten radiación láser. Los láseres se nombran según el medio activo utilizado.

Aunque los láseres semiconductores son de estado sólido, generalmente se clasifican como un grupo separado. En estos láseres se obtiene una radiación coherente debido a la transición de electrones desde el borde inferior de la banda de conducción al borde superior de la banda de valencia.

Hay dos tipos de láseres semiconductores.

El primero tiene una oblea semiconductora pura, donde se utilizan como semiconductores arseniuro de galio GaAs, sulfuro de cadmio CdS o seleniuro de cadmio CdSe.

El segundo tipo de láser semiconductor, el llamado láser de inyección, consta de semiconductores de impurezas, en los que la concentración de impurezas donadoras y aceptoras es 1018-1019. Para los láseres de inyección, se utiliza principalmente arseniuro de galio GaAs.

La condición para crear una población inversa de semiconductores a una frecuencia v tiene la forma:

∆F= - >hv

Es decir, para que se amplifique la radiación en un monocristal semiconductor, la distancia entre los niveles de Fermi para los electrones y los huecos debe ser mayor que la energía de un cuanto de luz hv. Cuanto menor es la frecuencia, menor es el nivel de excitación, se logra la población inversa.

Sistema de bombeo

El bombeo crea una población inversa en medios activos, y para cada medio el más conveniente y metodo efectivo bombeo. En los láseres de estado sólido y líquido, se utilizan lámparas de destello o láseres, los medios gaseosos se excitan mediante una descarga eléctrica y los semiconductores se excitan mediante una corriente eléctrica.

Los láseres de semiconductores utilizan bombeo de haz de electrones (para láseres de semiconductores a partir de un semiconductor puro) y voltaje directo (para láseres de semiconductores de inyección).

El bombeo por un haz de electrones puede ser transversal (Fig. 3.1) o longitudinal (Fig. 3.2). Durante el bombeo transversal, dos caras opuestas del cristal semiconductor se pulen y desempeñan el papel de espejos resonadores ópticos. En el caso de bombeo longitudinal, se utilizan espejos exteriores. Con el bombeo longitudinal, el enfriamiento del semiconductor mejora significativamente. Un ejemplo de un láser de este tipo es un láser de sulfuro de cadmio que genera radiación a una longitud de onda de 0,49 μm y tiene una eficiencia de alrededor del 25 %.

Arroz. 3.1 - Bombeo de haces de electrones transversales

Arroz. 3.2 - Bombeo longitudinal por haz de electrones

El láser de inyección tiene una unión p-n formada por dos semiconductores de impurezas degeneradas. Cuando se aplica un voltaje directo, la barrera de potencial en la unión p-n disminuye y se inyectan electrones y huecos. En la región de transición, comienza una intensa recombinación de portadores de carga, durante la cual los electrones pasan de la banda de conducción a la banda de valencia y aparece la radiación láser (Fig. 3.3).

Arroz. 3.3 - El principio del dispositivo del láser de inyección

El bombeo proporciona una operación láser pulsada o continua.

Resonador

El resonador es un par de espejos paralelos entre sí, entre los cuales se coloca el medio activo. Un espejo ("sordo") refleja toda la luz que cae sobre él; la segunda parte de la radiación, translúcida, vuelve al medio para la aplicación de la radiación estimulada, y la parte sale en forma de rayo láser. Un prisma interno completo se usa a menudo como un espejo "sordo", y una pila de placas de vidrio se usa como un espejo translúcido. Además, al elegir la distancia entre los espejos, el resonador se puede ajustar para que el láser genere radiación de un solo tipo estrictamente definido (el llamado modo).

El resonador óptico más simple, ampliamente utilizado en todo tipo de láseres, es un resonador plano (interferómetro de Faby-Perot), que consta de dos placas planas paralelas ubicadas a una distancia entre sí.

Como una placa, puede usar un espejo sordo, cuyo coeficiente de reflexión es cercano a la unidad. La segunda placa debe ser translúcida para que la radiación generada pueda salir del resonador. Para aumentar el coeficiente de reflexión de las superficies de las placas, se suelen recubrir con revestimientos reflectantes dieléctricos multicapa. La absorción de luz en tales recubrimientos está prácticamente ausente. A veces, los revestimientos reflectantes se aplican directamente a los extremos plano-paralelos de las varillas de medio activo. Entonces desaparece la necesidad de espejos remotos.

Arroz. 4.1. Tipos de resonadores ópticos: a - plano, b - prismático, c - confocal, d - semiconcéntrico, e - compuesto, f - anular, g, h - cruzado, i - con espejos de Bragg. Los elementos activos están sombreados.

Un prisma rectangular se puede usar como un espejo sordo en un resonador óptico (Fig. 4.1, b). Los rayos de luz que inciden perpendicularmente al plano interior del prisma, como consecuencia de la doble reflexión total, lo dejan en dirección paralela al eje del resonador.

En lugar de placas planas en resonadores ópticos, se pueden usar espejos semitransparentes cóncavos. Dos espejos con los mismos radios de curvatura, ubicados de modo que sus focos estén en el mismo punto Ф (Fig. 4.1, c), forman un resonador confocal. Distancia entre espejos l=R. Si esta distancia se reduce a la mitad para que el foco de un espejo esté en la superficie del otro, entonces se obtiene un resonador confocal.

Para la investigación científica y diversos fines prácticos, se utilizan resonadores más complejos, que consisten no solo en espejos, sino también en otros elementos ópticos que permiten controlar y cambiar las características de la radiación láser. Por ejemplo, la figura. 4. 1, d. - un resonador compuesto en el que se suma la radiación generada por cuatro elementos activos. Los giroscopios láser utilizan un resonador de anillo en el que dos rayos se propagan en direcciones opuestas a lo largo de una línea discontinua cerrada (Fig. 4.1, f).

Para crear elementos lógicos de computadoras y módulos integrados, se utilizan resonadores cruzados multicomponente (Fig. 4. 1. g, h). Se trata esencialmente de un conjunto de láseres que permiten su excitación selectiva y están unidos entre sí por un fuerte acoplamiento óptico.

Una clase especial de láseres son los láseres con retroalimentación distribuida. En los resonadores ópticos convencionales, la retroalimentación se establece debido al reflejo de la radiación generada por los espejos del resonador. En la distribución de retroalimentación, la reflexión se produce a partir de una estructura periódica ópticamente no homogénea. Un ejemplo de tal estructura es una rejilla de difracción. Puede crearse mecánicamente (Fig. 4. 1, i) o por acción selectiva en un medio homogéneo.

También se utilizan otros diseños de resonadores.

Por definición, los obturadores pasivos y activos, los moduladores de radiación, los polarizadores y otros elementos ópticos utilizados en la generación de generación también deben incluirse en los elementos resonadores.

Pérdida de resonador

La generación de radiación se puede simplificar de la siguiente manera: la sustancia de trabajo del láser se coloca en un resonador y se enciende el sistema de bombeo. Bajo la acción de la excitación externa, se crea una población inversa de los niveles y el coeficiente de absorción en un cierto intervalo espectral se vuelve menor que cero. En el proceso de excitación, incluso antes de la creación de una población inversa, la sustancia de trabajo comienza a luminiscente. Al atravesar el medio activo, se amplifica la radiación espontánea. El valor de amplificación está determinado por el producto del factor de amplificación y la longitud del camino de la luz en el medio activo. En cada tipo de resonador, hay direcciones elegidas tales que los rayos de luz, debido a la reflexión de los espejos, pasan a través del medio activo, en principio, un número infinito de veces. Por ejemplo, en un resonador plano, solo los rayos que se propagan paralelos al eje del resonador pueden atravesar el medio activo. Todos los demás rayos que inciden en los espejos en ángulo con el eje del resonador, después de uno o más reflejos, lo abandonan. Así es como se producen las pérdidas.

Hay varios tipos de pérdidas en el resonador:

1. Pérdidas en espejos.

Dado que parte de la radiación generada en el medio debe eliminarse del resonador, los espejos utilizados (al menos uno de ellos) se hacen semitransparentes. Si los coeficientes de reflexión de los espejos en términos de intensidad son iguales a R1 y R2, entonces el coeficiente de pérdida útil para la salida de radiación del resonador por unidad de longitud estará dado por la fórmula:

2. Pérdida geométrica

Si el haz se propaga dentro del resonador no estrictamente normal a las superficies de los espejos, luego de un cierto número de reflexiones alcanzará los bordes de los espejos y dejará el resonador.

3. Pérdida por difracción.

Considere un resonador formado por dos espejos redondos planos paralelos de radio a. Deje que un haz de radiación paralelo con longitud de onda λ caiga sobre el espejo 2. El haz se refleja en el espejo y simultáneamente se difracta en un ángulo de orden d ϕ ≈ λ a . El número de Fresnel para un resonador dado es el número de pasadas entre los espejos cuando la divergencia final del haz alcanza el ángulo de salida de la radiación más allá de los bordes de los espejos ϕ=a/L

4. Dispersión por falta de homogeneidad del medio activo.

Si el resonador se llena con un medio activo, surgen fuentes adicionales de pérdidas. Cuando la radiación pasa a través del medio activo, parte de la radiación se dispersa por falta de homogeneidad e inclusiones extrañas, y también se atenúa como resultado de la absorción no resonante. Por absorción no resonante se entiende la absorción asociada a transiciones ópticas entre niveles que no están funcionando para un medio determinado. Las pérdidas asociadas con la dispersión parcial y la absorción de energía en los espejos también pueden incluirse aquí.

Paso de la radiación a través de la materia. Población inversa de niveles. Considere nuevamente un medio de dos niveles con niveles de energía Y . Si la radiación monocromática incide sobre este medio con una frecuencia

entonces cuando se propaga a lo largo de una distancia dx el cambio en la densidad de energía espectral estará asociado tanto con la absorción resonante como con la emisión inducida (forzada) de átomos en el sistema. Debido a la emisión estimulada, la densidad de energía espectral en el haz aumenta, y este aumento de energía debe ser proporcional a:

Aquí está el factor de proporcionalidad dimensional.

De igual forma, debido a los procesos de absorción de fotones, la densidad de energía espectral en el haz disminuye:

plegable Y , encontrar el cambio total Densidad de energia:

Dada la igualdad de los coeficientes de Einstein e introduciendo el coeficiente de absorción a, escribimos esta ecuación en la forma

solucion a esto ecuación diferencial tiene la forma

Esta fórmula da la densidad de energía espectral tu en un haz de fotones cuando atraviesan una capa de materia con un espesor X, donde corresponde al punto X = 0 .

En condiciones de equilibrio termodinámico, de acuerdo con la distribución de Boltzmann, , por lo tanto, el coeficiente de absorción a es positivo () :

Así, la densidad de energía de la radiación, como puede verse en (6.18), disminuye a medida que pasa a través de la sustancia, es decir, la luz es absorbida. Sin embargo, si creamos un sistema en el que , entonces el coeficiente de absorción se volverá negativo y no habrá debilitamiento, pero mejora de la intensidad Sveta. El estado del medio ambiente en el que se llama estado con población de nivel inverso, y el entorno mismo se llama entonces medio activo. La población inversa de niveles contradice la distribución de Boltzmann de equilibrio y puede crearse artificialmente si el sistema se saca del equilibrio termodinámico.

Esto crea la posibilidad fundamental de amplificar y generar radiación óptica coherente y se utiliza en la práctica en el desarrollo de fuentes de dicha radiación: láseres.

El principio de funcionamiento del láser. La creación de un láser se hizo posible después de que se encontraron los métodos para implementar la población inversa de niveles en ciertas sustancias (medios activos). El primer generador práctico en la región visible del espectro fue creado en (EE. UU. por Maiman (1960)) basado en rubí. Ruby es una red cristalina que contiene un pequeño ( 0,03 % – 0,05 % ) mezcla de iones de cromo (). En la fig. 6.1 muestra un diagrama de los niveles de energía del cromo ( entorno de tres niveles). Amplio nivel se utiliza para excitar iones de cromo con la luz de una potente lámpara de descarga de gas con una amplia banda de frecuencia en la región verde-azul de la luz visible - lámparas de bomba. La excitación de los iones de cromo debido a la energía de bombeo de una fuente externa se muestra con una flecha .

Arroz. 6.1. Esquema de un medio activo de tres niveles (rubí)

Los electrones del nivel de corta duración forman un rápido ( C) transición no radiativa al nivel (representado por la flecha azul) . La energía liberada en este caso no se emite en forma de fotones, sino que se transfiere al cristal de rubí. En este caso, el rubí se calienta, por lo que el diseño del láser prevé su enfriamiento.

Vida útil de un nivel estrecho de larga duración es C, es decir, 5 órdenes de magnitud mayor que la del nivel de banda ancha . Con suficiente potencia de bombeo, el número de electrones en un nivel (se llama metaestable) se vuelve más que nivel , es decir, se crea una población inversa entre los niveles "trabajadores" y .

Un fotón emitido durante una transición espontánea entre estos niveles (representado por una flecha discontinua) induce la emisión de fotones adicionales (forzados) - (la transición se muestra con una flecha), lo que a su vez provoca inducido radiación de toda una cascada de fotones con una longitud de onda .

Ejemplo 1 Determinemos la población relativa de niveles de trabajo en un cristal de rubí a temperatura ambiente en condiciones de equilibrio termodinámico.

En función de la longitud de onda emitida por el láser de rubí, encontramos la diferencia de energía:

A temperatura ambiente T = 300K tenemos:

De la distribución de Boltzmann ahora se sigue

La realización de un medio activo con una población de nivel inverso es solo la mitad de la batalla. Para que el láser funcione, también es necesario crear condiciones para generar luz, es decir, utilizar positivo comentario . El medio activo en sí solo puede amplificar la radiación transmitida. Para implementar el régimen de generación, es necesario amplificar la emisión estimulada, lo que compensaría todas las pérdidas en el sistema. Para ello, el principio activo se coloca en resonador óptico, formado, por regla general, por dos espejos paralelos, uno de los cuales es semitransparente y sirve para dar salida a la radiación del resonador. Estructuralmente, los primeros láseres de rubí usaban cristales cilíndricos con una longitud 40mm y diametro 5mm. Los extremos se pulían paralelos entre sí y servían como espejos resonadores. Uno de los extremos estaba plateado para que el coeficiente de reflexión fuera cercano a la unidad, y el otro extremo era translúcido, es decir, tenía un coeficiente de reflexión inferior a la unidad y se usaba para emitir radiación desde el resonador. La fuente de excitación era una potente lámpara de xenón pulsada enrollada alrededor del rubí. El dispositivo láser de rubí se muestra esquemáticamente en la fig. 6.2.

Arroz. 6.2. Dispositivo láser rubí: 1- varilla de rubí; 2- impulso lámpara de descarga; 3 - espejo translúcido; 4- espejo; 5- emision estimulada

Con suficiente potencia de la lámpara de bombeo, la mayoría (alrededor de la mitad) de los iones de cromo se transfieren a un estado excitado. Una vez alcanzada la inversión de población para los niveles de trabajo con la energía Y , los primeros fotones emitidos espontáneamente correspondientes a la transición entre estos niveles no tienen una dirección de propagación preferente y provocan una emisión estimulada, que también se propaga en todas las direcciones en un cristal de rubí. Recuérdese que los fotones generados por emisión estimulada vuelan en la misma dirección que los fotones incidentes. Los fotones cuyas direcciones de movimiento forman pequeños ángulos con el eje de la barra cristalina experimentan múltiples reflejos desde sus extremos. Los fotones que se propagan en otras direcciones salen del cristal de rubí por su superficie lateral y no participan en la formación de la radiación saliente. Entonces en el resonador se genera viga estrecha luz, y el paso múltiple de fotones a través del medio activo induce la emisión de más y más fotones, aumentando la intensidad del haz de salida.

La generación de radiación de luz por un láser de rubí se muestra en la fig. 6.3.

Arroz. 6.3. Generación de láser de rubí

Por lo tanto, el resonador óptico realiza dos funciones: en primer lugar, crea una retroalimentación positiva y, en segundo lugar, forma un haz de radiación estrecho y dirigido con una determinada estructura espacial.

En el esquema de tres niveles considerado, para crear una población inversa entre los niveles de trabajo, es necesario excitar una fracción suficientemente grande de átomos, lo que requiere un gasto significativo de energía. Más eficiente es esquema de cuatro niveles, que se aplica en láseres de estado sólido, por ejemplo, utilizando iones de neodimio. En el láser de gas más común sobre átomos neutros - helio- láser de neón - también se cumplen las condiciones para la generación según el esquema de cuatro niveles. El medio activo en tal láser es una mezcla de gases inertes. - helio y neón con energía del estado fundamental (que tomamos como el nivel cero). El bombeo se lleva a cabo en el proceso de una descarga eléctrica de gas, por lo que los átomos pasan a un estado excitado con energía. . Nivel en átomos de neón (Fig. 6.4) está cerca del nivel en helio, y en la colisión de átomos de helio con átomos de neón, la energía de excitación puede transferirse efectivamente a estos últimos sin radiación.

Arroz. 6.4. El esquema de nivel- Nordeste-láser

Así, el nivel el neón resulta estar más poblado que el nivel inferior . La transición entre estos niveles de trabajo va acompañada de una radiación con una longitud de onda 632,8nm, que es el principal en la industria No-Ne-láseres. al nivel los átomos de neón no permanecen mucho tiempo y regresan rápidamente al estado fundamental. Tenga en cuenta que el nivel en neón está muy poco poblado y, por lo tanto, para crear una población inversa entre Y es necesario excitar un pequeño número de átomos de helio. Esto requiere mucha menos energía tanto para bombear como para enfriar la configuración, lo cual es típico para un esquema de generación de cuatro niveles. Otros niveles de neón (que no se muestran en la Fig. 6.4) también se pueden usar para la generación de láser, proporcionando radiación tanto en el rango visible como en el IR, y el helio se usa solo para el proceso de bombeo.

Ejemplo 2 Encontremos la población relativa de equilibrio del nivel en neón a temperatura ambiente.

Este problema difiere del anterior solo en valores numéricos. Para variar, realizaremos los cálculos en electronvoltios. Expresemos primero la constante de Boltzmann en estas unidades:

pues a temperatura ambiente

Ahora podemos encontrar fácilmente

Desde un punto de vista práctico, un número tan pequeño no difiere de cero, por lo tanto, incluso con un bombeo débil, se crea una población inversa entre los niveles Y .

La radiación de los láseres se caracteriza por rasgos característicos:

alta coherencia temporal y espacial (monocromaticidad de radiación y divergencia de haz bajo);

alta intensidad espectral.

Las características de la radiación dependen del tipo de láser y del modo de funcionamiento, sin embargo, se pueden señalar algunos parámetros cercanos a los valores límite:

Los pulsos de láser cortos (picosegundos) son indispensables para estudiar procesos rápidos. En el pulso puede desarrollarse una potencia de pico extremadamente alta (hasta varios GW), que es igual a la potencia de varias unidades NPP de un millón de kW cada una. En este caso, la radiación se puede concentrar en un cono estrecho. Dichos rayos permiten, por ejemplo, "soldar" la retina al fondo.

Tipos de láseres. En el marco del curso de física general, no podemos detenernos en detalle en las características específicas y aplicaciones técnicas de varios tipos de láseres debido a su extrema diversidad. Nos limitamos a una revisión bastante breve de los tipos de láseres que difieren en las características del medio activo y en los métodos de bombeo.

láseres de estado sólido. Por lo general, son pulsados, el primer láser de este tipo fue el láser de rubí descrito anteriormente. Láseres populares sobre vidrio con neodimio como sustancia de trabajo. Generan luz con una longitud de onda de aproximadamente 1,06 micras, tener tallas grandes y pico de potencia hasta TW. Se puede utilizar para experimentos de fusión termonuclear controlados. Un ejemplo es el enorme láser Shiva del Laboratorio Livermore en los Estados Unidos.

Los láseres de neodimio itrio aluminio granate (Nd:YAG) son muy comunes y emiten en el rango IR a una longitud de onda micrón. Pueden operar tanto en modo de generación continua como en modo pulsado, con una tasa de repetición de pulsos de hasta varios kHz (a modo de comparación: un láser rubí tiene 1 pulso cada pocos minutos). Tienen una amplia gama de aplicaciones en tecnología electrónica (tecnología láser), localización óptica, medicina, etc.

láseres de gas Por lo general, estos son láseres continuos. Difieren en la correcta estructura espacial del haz. Ejemplo: láser HeNe que genera luz en longitudes de onda 0,63 , 1,15 Y 3,39 micras y teniendo una potencia del orden de mW. Ampliamente utilizado en ingeniería. - láser con una potencia del orden de kW y longitudes de onda 9,6 Y 10,6 micras. Uno de los métodos para bombear láseres de gas es una descarga eléctrica. Una variedad de láseres con un medio gaseoso activo son los láseres químicos y excímeros.

láseres químicos. La inversión de población se crea durante una reacción química entre dos gases, como el hidrógeno (deuterio) y el flúor. Basado en reacciones exotérmicas

moléculas AF ya nacen con excitación de oscilaciones, lo que crea inmediatamente una población inversa. La mezcla de trabajo resultante pasa a velocidad supersónica a través de un resonador óptico, en el que parte de la energía acumulada se libera en forma de radiación electromagnética. Usando un sistema de espejos resonadores, esta radiación se enfoca en un haz estrecho. Dichos láseres emiten alta energía (más de 2kJ), la duración del pulso es de aproximadamente 30 ns, encienda hasta Mar. La eficiencia (química) alcanza 10 % , mientras que suele ser fracciones de un porcentaje para otros tipos de láseres. Longitud de onda generada - 2,8 micras(3,8 micras para láser en D.F.).

De los numerosos tipos de láseres químicos, los láseres de fluoruro de hidrógeno (deuterio) han sido reconocidos como los más prometedores. Problemas: La radiación de los láseres de fluoruro de hidrógeno con la longitud de onda especificada se dispersa activamente por las moléculas de agua, que siempre están presentes en la atmósfera. Esto reduce en gran medida el brillo de la radiación. El láser de fluoruro de deuterio opera a una longitud de onda para la cual la atmósfera es prácticamente transparente. Sin embargo, la liberación de energía específica de tales láseres es una vez y media menor que la de los láseres basados en AF. Esto significa que al usarlos en el espacio, se deberá eliminar mucho más combustible químico.

láseres excímeros. Las moléculas de excímeros son moléculas diatómicas (por ejemplo,), que solo pueden estar en un estado excitado; su estado no excitado resulta ser inestable. Esta es la característica principal de los láseres de excimer: el estado fundamental de las moléculas de excimer está vacío, es decir, el nivel de láser de trabajo inferior siempre está vacío. El bombeo se lleva a cabo mediante un haz de electrones pulsados, que transfiere una parte importante de los átomos a un estado excitado, en el que se combinan en moléculas excímeras.

Dado que la transición entre los niveles de operación es de banda ancha, es posible sintonizar la frecuencia de generación. El láser no produce radiación sintonizable en la región UV ( Nuevo Méjico) y tiene una alta eficiencia ( 20 % ) conversión de energía. En la actualidad, los láseres excimer con una longitud de onda 193nm utilizado en cirugía oftálmica para la evaporación superficial (ablación) de la córnea.

láseres líquidos. La sustancia activa en estado líquido es uniforme y puede circular para enfriarse, lo que es una ventaja sobre los láseres de estado sólido. Esto permite obtener altas energías y potencias en modo pulsado y continuo. Los primeros láseres líquidos (1964-1965) utilizaron compuestos de tierras raras. Fueron reemplazados por láseres basados en soluciones de colorantes orgánicos.

Dichos láseres suelen utilizar el bombeo óptico de radiación de otros láseres en el rango visible o UV. Una propiedad interesante de los láseres de colorante es la posibilidad de sintonizar la frecuencia de generación. Al seleccionar un tinte, es posible obtener generación en cualquier longitud de onda desde el rango de IR cercano hasta el de UV cercano. Esto se debe al amplio espectro vibratorio-rotacional continuo de las moléculas líquidas.

láseres semiconductores. Los láseres de estado sólido basados en materiales semiconductores se destacan en una clase separada. El bombeo se lleva a cabo mediante bombardeo con haz de electrones, potente irradiación láser, pero más a menudo mediante métodos electrónicos. Los láseres semiconductores utilizan transiciones no entre niveles de energía discretos de átomos o moléculas individuales, sino entre bandas de energía permitidas, es decir, conjuntos de niveles estrechamente espaciados (las bandas de energía en los cristales se analizan con más detalle en secciones posteriores). El uso de varios materiales semiconductores hace posible obtener radiación en longitudes de onda de 0,7 antes 1,6 micras. Las dimensiones del elemento activo son extremadamente pequeñas: la longitud del resonador puede ser inferior a 1 milímetro.

Potencia típica del orden de varios kW, duración del pulso aprox. 3 ns, la eficiencia alcanza 50 % , son muy utilizados (fibra óptica, comunicaciones). Se puede utilizar para proyectar una imagen de TV en una pantalla grande.

Láseres de electrones libres. Un haz de electrones de alta energía pasa a través de un "peine magnético", un campo magnético espacialmente periódico que obliga a los electrones a oscilar a una frecuencia determinada. El dispositivo correspondiente, un ondulador, es una serie de imanes que se ubican entre las secciones del acelerador, de modo que los electrones relativistas se mueven a lo largo del eje del ondulador y oscilan transversalmente a él, emitiendo una onda electromagnética primaria ("espontánea"). En un resonador abierto, donde luego entran los electrones, la onda electromagnética espontánea se amplifica, creando una radiación láser direccional coherente. La característica principal de los láseres de electrones libres es la capacidad de ajustar suavemente la frecuencia de generación (del rango visible al IR) cambiando la energía cinética de los electrones. La eficiencia de estos láseres es 1 % a media potencia hasta 4 vatios. Con el uso de dispositivos para devolver electrones al resonador, la eficiencia se puede aumentar a 20–40 % .

láser de rayos X Con bombeo nuclear. Este es el láser más exótico. Esquemáticamente, es una ojiva nuclear, en cuya superficie se fijan hasta 50 varillas de metal, orientadas en diferentes direcciones. Las varillas tienen dos grados de libertad y, como los cañones de las armas, pueden dirigirse a cualquier punto del espacio. A lo largo del eje de cada varilla hay un alambre delgado hecho de un material de alta densidad (del orden de la densidad del oro): el medio activo. La fuente de energía de bombeo láser es una explosión nuclear. Durante la explosión, la sustancia activa pasa al estado de plasma. Enfriándose instantáneamente, el plasma emite radiación coherente en el rango de rayos X suaves. Debido a la alta concentración de energía, la radiación, al golpear el objetivo, conduce a la evaporación explosiva de la sustancia, la formación de una onda de choque y la destrucción del objetivo.

Así, el principio de funcionamiento y el dispositivo del láser de rayos X lo hacen evidente y el alcance de su aplicación. El láser descrito no incluye espejos resonadores, que no se pueden utilizar en el rango de rayos X.

Algunos tipos de láseres se muestran en la siguiente figura.

Algunos tipos de láseres: 1- láser de laboratorio; 2- láser continuo encendido;
3 - láser tecnológico para perforar agujeros; 4- potente láser tecnológico

Para aprender la amplificación de la luz incidente, es necesario de alguna manera invertir la población de los niveles. Aquellos. hacer que a mayor valor de energía corresponda un mayor número de átomos. En este caso, se dice que el agregado de átomos tiene una población de nivel inversa (inversa).

La relación del número de átomos en los niveles y es igual a:

En el caso de inversión de población. De ello se deduce que el exponente debe ser mayor que cero - . Pero . Por tanto, para que el exponente sea mayor que cero, es necesario que la temperatura sea negativa - .

Por lo tanto, un estado con una población inversa de niveles a veces se denomina estado con temperatura negativa. Pero esta expresión es condicional, porque el mismo concepto de temperatura es aplicable a los estados de equilibrio, y un estado con una población inversa es un estado de no equilibrio.

En el caso de inversión de población, se amplificará la luz que pasa a través de la materia. Formalmente, esto corresponde al hecho de que el coeficiente de absorción en la ley de Bouguer será negativo. Aquellos. un conjunto de átomos con una población de niveles inversos puede considerarse como un medio con un coeficiente de absorción negativo.

Entonces, para amplificar la luz con una sustancia, necesitamos crear una población inversa de los niveles de esta sustancia. Veamos cómo se hace esto usando el láser de rubí como ejemplo.

El rubí es un óxido de aluminio en el que algunos de los átomos de aluminio han sido reemplazados por átomos de cromo. Este rubí está irradiado con un amplio espectro de frecuencias de ondas electromagnéticas. En este caso, los iones de cromo pasan a un estado excitado (ver Fig. 4). Los iones de aluminio no juegan un papel importante en este asunto.

El estado de energía es una banda completa, debido a la interacción de los iones con la red cristalina. Desde el nivel de los iones de cromo, son posibles dos caminos.

1. Volver al estado inicial con energía con la emisión de un fotón.

2. Transición a un estado metaestable con energía por interacción térmica con iones de la red cristalina de aluminio.

El tiempo de vida en el nivel, como siempre, es igual al tiempo de vida en el estado excitado - . Una transición espontánea a un nivel se indica con una flecha, y una transición a un nivel metaestable se indica con una flecha.

Los cálculos y experimentos muestran que la probabilidad de transición es mucho mayor que la probabilidad de transición. Además, la transición de un estado metaestable con energía al estado fundamental está prohibida por las reglas de selección (las reglas de selección no son absolutamente estrictas, solo indican una mayor o menor probabilidad de la transición).

Por lo tanto, el tiempo de vida en el nivel metaestable es , que es 100 000 veces más largo que el tiempo de vida en el nivel .

Por lo tanto, con una cantidad suficientemente grande de átomos de cromo, puede ocurrir una población inversa del nivel: la cantidad de átomos en el nivel excederá la cantidad de átomos en el nivel, es decir podemos conseguir lo que queremos.

La transición espontánea del nivel al nivel principal se indica con la flecha El fotón que surge durante esta transición puede provocar la emisión estimulada del siguiente fotón, que se indica con la flecha . Este, y así sucesivamente. Aquellos. se forma una cascada de fotones.

Considere ahora dispositivo técnico láser de rubí

Es una varilla con un diámetro del orden y una longitud de . Los extremos de la varilla son estrictamente paralelos entre sí y cuidadosamente pulidos. Un extremo es un espejo perfecto, el otro es un espejo translúcido que transmite cerca de la energía incidente.

Alrededor de la barra de rubí, se instalan varias vueltas de una lámpara de bomba: una lámpara de xenón que funciona en modo pulsado.

Entonces, se formaron fotones estimulados en el cuerpo de la barra. Aquellos fotones cuya dirección de propagación forma pequeños ángulos con el eje de la varilla pasarán repetidamente a través de la varilla y provocarán la emisión estimulada de átomos de cromo metaestables. Los fotones secundarios tendrán la misma dirección que los primarios, es decir a lo largo del eje de la varilla. Los fotones de la otra dirección no desarrollarán una cascada significativa y estarán fuera del juego. Con suficiente intensidad de haz, parte de él sale.

Los láseres de rubí funcionan en modo pulsado con una tasa de repetición de varios pulsos por minuto. Además, en su interior se libera una gran cantidad de calor, por lo que deben enfriarse intensamente.

Consideremos ahora el funcionamiento de un láser de gas, en particular un láser de helio-neón.

Consiste en un tubo de cuarzo que contiene una mezcla de gases de helio y neón. El helio está bajo presión y el neón está bajo presión, con aproximadamente 10 veces más átomos de helio que átomos de neón. Los principales átomos radiantes aquí son los átomos de neón, y los átomos de helio juegan un papel auxiliar en la creación de una población inversa de átomos de neón.

El bombeo de energía en este láser se lleva a cabo debido a la energía de la descarga luminiscente. En este caso, los átomos de helio se excitan y pasan a un estado excitado (ver Fig. 5). Este estado para los átomos de helio es metaestable, es decir la transición óptica inversa está prohibida por las reglas de selección. Por lo tanto, los átomos de helio pueden pasar a un estado no excitado, transfiriendo energía a los átomos de neón durante las colisiones. Como resultado, los átomos de neón entran en un estado excitado, que es cercano al estado del helio. Los átomos de neón se excitan tanto por la energía de la descarga luminiscente como por las colisiones con los átomos de helio.

Además, el nivel se descarga seleccionando tales dimensiones del tubo que los átomos de neón, estando en el nivel, les transfieran energía durante las colisiones con las paredes, pasando al nivel principal.

Como resultado de estos procesos, se produce una población de nivel inverso para el neón. Es posible pasar de un nivel a otro.

El principal elemento estructural de este láser es un tubo de descarga de gas de cuarzo con un diámetro de aproximadamente . Contiene electrodos para crear una descarga eléctrica. En los extremos del tubo hay espejos plano-paralelos, uno de los cuales, el frontal, es translúcido. Las condiciones para la amplificación surgen solo para aquellos fotones que vuelan paralelos al eje del láser.

La frecuencia de operación del láser es la transición. Las reglas de selección permiten una treintena de transiciones. Para resaltar una frecuencia, los espejos están hechos de múltiples capas, sintonizados para reflejar solo una onda específica. Los láseres que emiten longitudes de onda están muy extendidos. Pero la más intensa es la transición con la longitud de onda, es decir. en la región infrarroja del espectro.

Los láseres de gas funcionan de forma continua y no requieren un enfriamiento intensivo.

Las características distintivas de la radiación láser son.

1. Coherencia temporal y espacial.

2. Monocromaticidad estricta.

3. Gran poder

4. Estrechez del rayo láser.

Conferencia 15. (2 horas)

Reparar

Afinación

Explotación

Dispositivo

Ajustamiento

vaz 2106

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