Основы квантовой электроники (стр. 20 )

4.7. Оптическая накачка газовых активных сред

Особенности оптической накачки (ОН) подробно описываются далее в Разделе 5. Несмотря на то, что газы и пары металлов имеют заведомо меньшую плотность активных частиц, чем среды в конденсированном состоянии, в двух случаях ОН может дать здесь приемлемый результат:

1) если при узкой, типичной для газов, линии поглощения активных атомов, удаётся подобрать узкополосный эффективный источник ОН. Этот метод реализуется в лазерах на атомах щелочных металлов с накачкой излучением полупроводникового лазера (Diod pumped alkali lasers – “DPAL-lasers”), работающих по классической 3-х уровневой схеме генерации с ОН (подробный анализ этой схемы см., в Разделе 5). Рассмотрим механизм накачки и генерации таких лазеров на примере квантовых переходов в атоме цезия. Из основного состояния Cs0–6s 2S1/2 путём ОН с длиной волны λОН=852,1нм заселяется “вспомогательный” резонансный уровень Cs*–6p 2Р3/2, и далее, за счёт столкновений с атомами буферного газа происходит быстрый безызлучательный переход между уровнями ТС: 6p 2Р3/2→6p 2Р1/2. В результате возникает инверсия населённостей и генерация на переходе 6p 2Р1/2→6s 2S1/2 c λген=894,3нм и намного лучшими, чем у полупроводникового лазера, пространственными и частотными характеристиками. Несколько большей эффективностью обладает лазер на атомах рубидия (накачка: λОН=780нм, переход 5s 2S1/2→5p 2Р3/2, генерация: переход 5p 2Р1/2→5s 2S1/2, λген794,7нм), меньшей – лазер на атомах калия. Для накачки используется AlGaAs-полупроводниковый лазер (см., раздел 5.5);

2) если газовая среда имеет широкую полосу поглощения и возможна “ламповая” широкополосная накачка. Это реализуется при фотодиссоциации молекул среды с образованием частиц в возбуждённом, верхнем лазерном состоянии «2». Например, в йодном фотодиссоционном лазере широкополосное УФ-излучение с λ0,3мкм вызывает диссоциацию молекул CF3I с образованием возбуждённого йода в верхнем лазерном состоянии «2»:

CF3I + hν(~4,1эВ) → I*(2Р1/2)«2» + CF3 . (4.17)

Активная среда лазера создаётся в кварцевой трубке с парами CF3I, помещённой в оптический резонатор и накачиваемой излучением ксеноновой газоразрядной лампы. Генерация происходит на ИК линии йода с λ1,32мкм.

Задания и упражнения к разделу (модулю) 4

1) Испарите медную проволочку в пламени газовой горелки и пронаблюдайте излучение на зелёной и жёлтой линиях Cu (лазерные переходы импульсного Cu-лазера). Какой тип возбуждения этих квантовых переходов имеет место?

2) Оцените доплеровскую ширину линии генерации лазера на парах меди (mCu=64 а. е.м.). Параметры перехода возьмите из материала в разделе 4.2.

3) Будет ли иметь место конкуренция продольных мод в аргоновом лазере со следующими параметрами: однородная ширина линии 460–800МГц (штарковское уширение) и длина резонатора L=1,2м? Какую ширину имеет провал Лэмба в Ar+-лазере?

4) Оцените скорость дрейфа ионов в Ar+-лазере, если тщательные измерения профиля усиления показали, что он состоит из двух доплеровских контуров с частотным интервалом Δν~500МГц.

5) Найдите отношение доплеровских ширин лазерных линий He-Ne (λ632,8 нм) и СО2‑N2‑He (λ10,6 мкм) лазеров.

6) Найдите величину скорости накачки верхнего лазерного уровня F2, полную и удельную мощность излучения для He-Ne лазера (λ632,8нм) при: N(Hem)=5·1011 см-3, Р(Ne)=0,1 Тор, Т=400 К, QПВ=2·10‑15 см2, V=1 см3. Считать относительную скорость взаимодействующих частиц:.

7) В СО2-лазере низкого давления ширина линии Δνл= 50МГц определяется главным образом доплеровским уширением. Лазер работает при мощности накачки, которая в два раза превышает пороговую. Вычислите максимальное расстояние между зеркалами, при котором еще возможна генерация в режиме одной продольной моды. L=3м.

8) Вычислите ширину лэмбовского провала для Не-Ne-лазера (λ632,8 нм). Сравните эту ширину с доплеровской шириной контура усиления.

9) Проверьте сохранение заряда в Пеннинг-процессе (Hem+Cd), приводящем к возбуждению лазерного перехода в Cd+ c λ441,6нм (верхний уровень 2D*5/2 Cd+* имеет потенциал возбуждения 17,5 эВ). Определите величину ΔЕ, уносимой электроном.

10) Какая ширина провала Лэмба у Не-Cd+-лазера? Параметры перехода возьмите из материала раздела 4.3.3.

11) Проверьте сохранение заряда в реакции перезарядки (He++Se), приводящей к возбуждению лазерного перехода в Se+ с λ522,7 нм (верхний уровень 4D7/2 с потенциалом возбуждения 24,36 эВ). Определите величину ΔЕ, приобретаемой тяжёлыми частицами.

12) Нарисуйте шкалу длин волн, перекрывающую видимый диапазон электромагнитных волн. В какую область этого спектра попадают Не-Ne, Ar+-лазеры, лазеры на парах металлов и эксимерные лазеры? Какому цвету соответствует излучение этих лазеров?

13) Назовите хотя бы три лазера, длины волн которых попадают в ИК-область спектра.

14) Назовите хотя бы три лазера, длины волн которых попадают в УФ или ВУФ область спектра. Какие проблемы нужно решить, чтобы осуществить лазерную генерацию в коротковолновой УФ - и ВУФ-областях спектра?

15) Из рисунка 4.6 оцените квантовый КПД (верхний предел полного КПД) гелий-неоновых лазеров для каждой из трёх основных линий генерации.

Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу (модулю) 4

4.1. Реакция ион-ионной рекомбинации, приводящая к накачке лазерного перехода в Xe-Cl эксимерном лазере, имеет вид:

А) Cl– + Xe+ → (XeCl)* Б) Cl+ + Xe– → (XeCl)* В) Cl0 + Xe* → (XeCl)*

4.2.Механизмом накачки в He-Ne лазере является:

А) процесс передачи энергии и заряда от Не+ атому Ne

Б) процесс передачи энергии от Неm атому Ne

В) возбуждение атомов неона электронным ударом

Г) поглощение квантов света

4.3. Тип лазерного перехода в СО2 лазере:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС Г) между уровнями ТС

4.4. Для СО2 лазера требование к времени охлаждения газа (t) при тепловой накачке для создания инверсии на лазерном переходе (τ2 и τ1 – времена жизни уровней) будет:

А) Б) t << τ2 В) Г)

4.5. Тип лазерного перехода в эксимерном лазере:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС Г) между уровнями ТС

4.6. В активной среде лазера, для которой τ1>τ2, инверсия может быть создана:

А) только в импульсном режиме Б) только в непрерывном режиме

В) в любом из этих режимов Г) невозможна

4.7. В активной среде лазера, для которой τ1<τ2, инверсия может быть создана:

А) только в импульсном режиме Б) только в непрерывном режиме

В) в любом из этих режимов Г) невозможна

4.8. Реакция передачи возбуждения, приводящая к накачке лазерного перехода в СO2‑N2‑He лазере, записывается следующим образом:

А) е + CO2 → е + CO2* Б) N2* + CO2 → N2 + CO2*

В) Не* + CO2 → Не + CO2*

4.9. Тип лазерного перехода в He-Ne лазере:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС

4.10. Реакция передачи энергии возбуждения в He-Ne-лазере от метастабильного атома гелия атому неона происходит вследствие того, что:

А) τ(Hem)<<τ(Ne*(2)) Б) τ(Hem)>>τ(Ne*(2))

В) реакция экзотермическая Г) реакция эндотермическая

4.11. Реакция пеннинговской ионизации (Пеннинг-процесс), приводящая к накачке лазерного перехода в He–Cd+ (ионном) лазере, записывается следующим образом:

А) Hem+Cd0 → He0+Cd+* Б) Hem+Cd0 → He0+Cd+*+e

В) He++Cd0 → He0+Cd+*+e

4.12. Реакция перезарядки, приводящая к накачке F‑D и G‑F лазерных переходов в He‑Cd+ (ионном) лазере, записывается следующим образом:

А) He+ + Cd0 → He0 + Cd+* Б) He+ + Cd+ → He0 + Cd+*

В) He+ + Cd0 → Hem + Cd+*

4.13. Реакция пеннинговской ионизации в He-Cd+-лазере с передачей энергии от метастабильного атома гелия атому кадмия происходит вследствие того, что:

А) реакция экзотермическая Б) τ(Hem)<<τ(Cd+*(2))

В) τ(Hem)>>τ(Cd+*«2») Г) реакция эндотермическая

4.14. Энергия, выделяющаяся при экзотермической пеннинговской ионизации, превращается:

А) в кинетическую энергию электрона

Б) в кинетическую энергию атома гелия

В) в кинетическую энергию иона кадмия

4.15. Накачка лазерного перехода He-Se+-лазера перезарядкой может:

А) быть только эндотермической с Δε<0

Б) быть только экзотермической с Δε>0

В) быть как эндо-, так и экзотермической с Δε~kT

Г) иметь место только для уровней при Δε=0

4.16. Реакция перезарядки в He-Se+-лазере с передачей энергии от иона гелия атому селена (а не наоборот), происходит вследствие того, что:

А) τ()>>τ(Se+*(2)) Б) τ()<<τ(Se+*(2))

В) реакция экзотермическая Г) реакция эндотермическая

4.17. Реакция передачи энергии возбуждения в CO2-N2-He-лазере от метастабильной молекулы N2* молекуле CO2 (000) происходит вследствие того, что:

А) реакция экзотермическая Б) τ()<<τ(CO2(001))

В) τ()>>τ(CO2(001)) Г) реакция эндотермическая