Принципы работы лазера Жарова Ксения У 04 -02

Принципы работы лазера Жарова Ксения У 04 -02 Руководитель: Самедов В. В. Москва, 2013 1

Содержание Предварительные сведения Испускание и поглощение света. Инвертированная активная среда Лазерная генерация. Оптический резонатор Характеристики лазера История создания лазера 2

Определение Ла зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), опти ческий ква нтовый генера тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др. ) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. 3

Предварительные сведения • Электромагнитная волна – идеализированнная волна • Реальную световую волну представляют а виде потока микрочастиц – фотонов • Не имеет массы покоя, электрического заряда, его скорость равна скорости света в вакууме • γ – поляризация фотона 4

Предварительные сведения Если два фотона имеют одинаковую четвёрку величин то говорят, что эти фотоны находятся в одном и том же состоянии Характеристики фотонного состояния ( ) соответствуют характеристикам плоской монохроматической поляризованной световой волны Плоская монохроматическая поляризованная световая волна представляет собой коллектив фотонов, находящихся в одном и том же состоянии 5

Оптическая когерентность Волновой цуг – группа фотонов, в каждую из которых входит большое их число, находящих в одном и том же состояниях. Степень заселённости – количество фотонов в волновом цуге Степень когерентности световых волн определяется характером расселения фотонов по состояниям Степень когерентности излучения тем выше, чем ниже степень его немонохроматичности, степень расходимости и чем выше степень поляризации 6

Энергия атома/молекулы может принимать лишь дискретные значения, которым соответствуют энергетические уровни. Квантовый переход – переход атома/молекулы с одного энергетического уровня на другой. Поглощение света Вынужденное испускание света 7

Спонтанное испускание света Коэффициенты А и В – коэффициенты Эйнштейна 2 типа процессов испускания света атомами вещества вынужденный (управляемый) и спонтанный (случайный) Активный элемент – некоторая среда, содержащая специально подобранные атомы/ионы/молекулы (активные центры), в результате высвечивания которых и возникает лазерное излучение Рабочий переход/рабочие уровни – нижний и верхний; частота рабочего перехода - заселённости рабочих уровней 8

Условие инверсии преобладание процессов вынужденного испускания света Инвертированная активная среда – активная среда, для активных центров которой выполнено условие инверсии Проходя через инвертированную активную среду, световой пучок может усиливаться вследствие преобладания процессов вынужденного испускания над процессами поглощения Накачка активной среды – создание инвертированной активной среды Схемы уровней активных центров 9

Схема устройства лазера Положительная обратная связь Оптический резонатор обеспечивает избирательность для фотонных состояний прежде всего с точки зрения направления движения фотонов. Он выделяет в пространстве определённое направление, вдоль которого и реализуется лазерная генерация. 10

Характеристики оптического резонатора Добротность Q = 2πντ Потери внутри резонатора Коэффициент усиления Мощность излучения Линия усиления 11

Резонансные частоты Моды 12

История создания лазера 1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения работы П. Дирака 1927— 1930 гг. 1940 г. работы В. Фабриканта и Ф. Бутаевой 1950 год: А. Кастлер метод оптической накачки среды 1954 год: первый микроволновой генератор 1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого лазера Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается 13

14