Основы квантовой электроники (стр. 21 )

4.18. В газоразрядной плазме CO2-N2-He-лазера:

А) время жизни молекул N2* в метастабильном состоянии велико и происходит накопление молекул N2*;

Б) время жизни молекул N2* в метастабильном состоянии мало и происходит накопление N2*;

В) накопление N2* не происходит никогда

4.19. Использование поперечного разряда для CO2-N2-He-лазера позволяет:

А) повысить рабочее давление газа

Б) уменьшить давление газа и повысить рабочее напряжение

В) увеличить температуру газа

4.20. Использование “медленной” прокачки газовой смеси в CO2-N2-He-лазере позволяет повысить мощность за счёт:

А) увеличения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии

Б) уменьшения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии

В) введения свежей смеси и уменьшения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии (для длинных трубок)

Г) введения свежей смеси

4.21. Использование “быстрой” прокачки газовой смеси в CO2-N2-He-лазере позволяет повысить мощность за счёт:

А) введения свежей смеси и уменьшения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии

Б) увеличения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии

В) только уменьшения числа молекул CO2 в нижнем лазерном состоянии

Г) только введения свежей смеси

4.22. Аббревиатура «ТЕА» обозначает:

А) лазер с поперечным разрядом и добавками аргона

Б) лазер с поперечной электромагнитной волной

В) лазер атмосферного давления с поперечным разрядом

Г) лазер с поперечным разрядом и добавками азота

4.23. Накачка лазерного перехода He-Sr+-лазера ударно-излучательной рекомбинацией может быть:

А) только эндотермической с Δε<0

Б) только экзотермической с Δε>0

В) как эндо-, так и экзотермической для различных уровней

Г) только для уровней при Δε=0

4.24. Реакция рекомбинации в He-Sr+-лазере происходит вследствие того, что:

А) τ() велико Б) τ() мало

В) реакция рекомбинации экзотермическая

Г) реакция рекомбинации эндотермическая

4.25. Режимом работы He-Sr+-лазера является:

А) импульсный Б) непрерывный В) квазинепрерывный

Г) импульсный либо непрерывный

4.26. У эксимерной молекулы (активной частицы эксимерного лазера) соотношение времен жизни верхнего τ2 и нижнего τ1 лазерных уровней:

А) τ2 < τ1 Б) τ2 >> τ1 В) τ2 = τ1 Г) τ2 << τ1

4.27. В реакции перезарядки (He++Se), приводящей к возбуждению лазерного перехода в Se+ c λ=522,7нм, суммарный заряд частиц до и после столкновения:

А) изменяется на (+е) Б) изменяется на (–е) В) равен (+е)

Г) равен нулю

4.28. В реакции Пеннинг-процесса (Hem+Cd), приводящей к возбуждению лазерного перехода в Cd+ c λ441,6 нм, суммарный заряд всех частиц до - и после столкновения:

А) изменяется на (+е) Б) изменяется на (–е)

В) равен (+е) Г) равен нулю

4.29. В реакции трёхчастичной ударно-излучательной рекомбинации, приводящей к возбуждению лазерного перехода в Sr+ c λ430,5 нм, суммарный заряд частиц до и после столкновения:

А) изменяется на (+е) Б) изменяется на (–е) В) равен (–е)

Г) равен нулю

4.30. В реакции ион-ионной рекомбинации, приводящей к возбуждению лазерного перехода в эксимерном лазере, суммарный заряд частиц до и после столкновения:

А) изменяется на (+е) Б) равен нулю

В) равен (–е) Г) изменяется на (–е)

Модуль 5. ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создаётся:

1) в твёрдых телах – главным образом в диэлектрических кристаллах и стёклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также – в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника,

2) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы – молекулы органических красителей.

В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счёт индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул. В полупроводниковых структурах вынужденное излучение возникает в результате рекомбинации свободных электронов и дырок. В отличие от газовых лазеров (см., раздел 4) инверсия населённостей в твёрдотельных и жидкостных лазерах всегда создаётся на переходах, близкорасположенных к основному энергетическому состоянию активной частицы.

Поскольку диэлектрические кристаллы не проводят электрический ток, то для них а также и для жидких сред используется т. наз. оптическая накачка – накачка лазерного перехода оптическим излучением (светом) от вспомогательного источника.

В полупроводниковых лазерах чаще используется накачка электрическим током (инжекционным током), протекающим через полупроводник в прямом направлении, реже – другие типы накачки: оптическая накачка, либо накачка бомбардировкой электронами.

5.1. Специфика оптической накачки активной среды лазера

Важной особенностью ОН является её селективность, а именно: подбором длины волны излучения ОН можно избирательно возбуждать нужное квантовое состояние активных частиц. Найдём условия, обеспечивающие максимальную эффективность процесса возбуждения активных частиц за счёт оптической накачки (ОН), в результате чего активная частица испытывает квантовый переход из энергетического состояния ‘i’ в вышерасположенное по шкале энергии возбуждённое состояние ‘k’. Для этого воспользуемся выражением для мощности излучения источника ОН, поглощаемой активными частицами облучаемой среды (см., раздел 1.9)

. (5.1)

В (5.1) входят частотная зависимость спектральной плотности энергии излучения источника ОН и функция формы линии поглощения среды, т. е. её частотная зависимость (форм-фактор) .

Очевидно, что скорость поглощения и величина поглощаемой мощности будут максимальными, когда:

1) концентрация частиц в состоянии ‘i’ будет наибольшей, т. е. ОН эффективна при высокой плотности активных частиц, а именно, из всего многообразия сред – для сред, находящихся в конденсированном состоянии (твёрдых тел и жидкостей);

2) В состоянии ТДР распределение частиц по состояниям с различными значениями внутренней (потенциальной) энергии описывается формулой Больцмана, а именно: максимальной заселённостью обладает основное (низшее) энергетическое состояние частицы и ансамбля в целом. Отсюда следует, что состояние ‘i’ должно являться основным энергетическим состоянием частицы;

3) для возможно более полного поглощения энергии источника ОН (наибольшей ΔPik) желательно иметь среду с наибольшим значением коэффициента поглощения на квантовом переходе: (см., ф-лу (1.35)), а поскольку пропорционален коэффициенту Эйнштейна Bki, а ВkiАki (см., ф-лу (1.11,б)), то желательно, чтобы поглощающий переход был бы “разрешённым” и “резонансным”;

4) Желательно, чтобы ширина спектра излучения источника накачки была бы не больше ширины контура поглощения активных частиц. При накачке спонтанным излучением ламп добиться этого, как правило, не удаётся. Идеальной с этой точки зрения является “когерентная” накачка – накачка монохроматическим излучением лазера, при которой вся линия (весь спектр) излучения ОН “попадает” в контур поглощения. Такой режим поглощения и был рассмотрен нами в разделе 1.9;

5) очевидно, что эффективность ОН будет тем выше, чем большая доля излучения будет поглощаться активными частицами посредством квантового перехода с накачкой нужного уровня. Так, если активная среда представляет собой кристалл (матрицу), легированную активными частицами, то матрица должна выбираться такой, чтобы излучение ОН ею не поглощалось, т. е. чтобы матрица была бы “прозрачной” для излучения накачки, что исключает в том числе и нагрев среды. В то же время полный КПД системы “источник ОН – активная среда лазера” обычно в большой степени определяется эффективностью преобразования электрической энергии, вкладываемой в источник накачки,– в его излучение;

6) В разделе 1.9 было показано, что в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями ни при каких значениях интенсивности внешнего излучения (т. е. оптической накачки) принципиально невозможно получить инверсию населённостей: при →∞ удаётся лишь уравнять населённости уровней.

Поэтому для накачки квантового лазерного перехода оптическим излучением и создания на нём инверсии населённостей, используются активные среды с одним или двумя вспомогательными энергетическими уровнями, что вместе с двумя уровнями лазерного перехода образует трёх - или четырёхуровневую схему (структуру) энергетических уровней активной среды.

5.2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по “трёхуровневой схеме”

5.2.1. Теоретический анализ трёхуровневой схемы. В такой схеме (рис. 5.1) нижним лазерным уровнем «1» является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем «2» является относительно долгоживущий уровень, а уровень «3», связанный с уровнем «2» быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу «1»→«3».