Связанные переходы в гелий - неоновом лазере (стр. 1 )

Связанные переходы в гелий - неоновом лазере

I. ВВЕДЕНИЕ

Общие принципы лазерного генератора ничем не отличаются от понятий, которые используются для любого генератора на основе электронных устройств, с той лишь разницей, что генерация лазера происходит на оптических частотах.

Излучение любого лазера удобно анализировать, представив его состоящим из трех частей:

а) Резонансная система, т. е. система, которая при возбуждении создает электромагнитные колебания одной определенной частоты. Это резонатор с собственными частотами в оптическом диапазоне, который состоит из двух плоскопараллельных зеркал с высоким коэффициентом отражения. Этот тип резонатора известен под названием эталона Фабри-Перо. Если в резонатор поместить источник света, то при отсутствии потерь в среде между зеркалами могут возникнуть стоячие волны. Собственные частоты резонатора, образованного такими зеркалами, зависят от расстояния между ними

nq=q× (1)

где nq - собственная частота q - моды резонатора

q - порядковый номер моды резонатора

с - скорость света

L - длина резонатора.

б) Активная среда, компенсирующая потери резонатора, связанные с отличием коэффициентами отражения зеркал от единицы и с дифракционными явлениям. Источник, способный при возбуждении имеющемся в резонаторе полем испускать излучение в оптическом диапазоне. Процесс испускания излучения не должен быть случайным, а должен быть связан определенными фазовыми соотношениями с полем в резонаторе. Излучение подобного типа может возникать при выполнении ряда особых условий, впервые отмеченных
Эйнштейном.

Согласно теории Эйнштейна при взаимодействии излучения с веществом могут иметь место три различных процесса. Для пояснения рассмотрим атомную систему с двумя энергетическими уровнями (Рис.1). Взаимодействие этой системы с излучением может осуществляться тремя способами:

1) Атомы, находящиеся на уровне 1, могут поглотить кванты и перейти на уровень 2.

Спонтанне випромінювання

E Поглинання Вимушене випромінювання

2 Е2

b×u12 p21 b×u21 E1 – E2= (2)

® ®

Е1

1

Рис.1

 

3S2

3S

3P4

 

2S2 3P

2S

 

2P4

 

2P

Рис.2

2) Атомы, находящиеся на уровне 2, могут спонтанно испустить кванты и вернуться в основное состояние.

3) Атомы, находящиеся на уровне 2, могут под действием поля излучения осуществить вынужденное испускание квантов и вернуться в основное состояние. Вынужденное испускание когерентно со стимулирующим излучением.

Таким образом, в случае системы атомов, находящихся в поле излучения, число испускаемых в единицу времени фотонов может быть выражено через число атомов на верхнем и нижнем энергетических уровнях, коэффициенты Эйнштейна для спонтанного и вынужденного испускания и плотности излучения, где b - коэффициент Эйнштейна,

u - плотность энергии поля внутри вещества,

р21 - вероятность спонтанного перехода атомов с верхнего уровня на нижний.

bu - вероятность вынужденного перехода атомов сверхнего уровня с испусканием квантов, и с нижнего уровня на верхний с поглощением квантов энергии (фотонов).

Вынужденное испускание используется в качестве источника излучения, необходимого для возбуждения резонатора.

в) Источник накачки, обеспечивающий превышение количества атомов, находящихся на верхнем уровне, по отношению к нижнему уровню. Это может осуществляться с помощью оптической накачки, электронными ударами, атомными столкновениями.

II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ.

В гелий - неоновом лазере генерация происходит на основных линиях с длинами волн 0.63 mк, 1.15 mк и 3.39 mк при переходах атомов неона между энергетическими состояниями 3S2 - 2P4 , 2S2 - 2P4 и 3S2 -3P4 соответственно (Рис.2).

В общей упрощенной схеме энергетических уровней (рис.3) неона этим переходам соответствуют переходы 6 - 3 и 6 -5 , как показано на рис.3.

Для исследования взаимодействия переходов с длинами волн 0.63 mк и 3.39 mк, имеющих общий верхний уровень 3S2, нет необходимости рассматривать все энергетические уровни. Можно показать, что достаточно рассмотреть энергетическую схему уровней, показанную на рис.4. При этом окончательные формулы будут иметь ту же функциональную зависимость, которую можно получить при учете всех энергетических уровней.

6 3S2

b×u36 b×u56

P16 p65 b×u65

p63 5

3P4

2S2 b×u63

4

P14 3

2P4

p32

1S

2

P61 P41 P21

1

Рис.3

6