Laser. Характеристики лазерного луча

Название лазера - «Усиление света путем вынужденного излучения». В переводе на польский это означает устройство, предназначенное для усиления или генерации когерентного электромагнитного излучения. Длина волны генерируемого излучения варьируется от инфракрасного до ультрафиолетового. Работа лазера основана на явлении вынужденной эмиссии излучения, благодаря которому испускаемое излучение усиливается.

Основными элементами работы лазера являются: центр активный, оптический резонатор, система накачки.

На активную среду воздействуют световые волны и вещество. Это может произойти тремя способами. Первое - это поглощение. Он состоит в поглощении фотона атомом. В результате атом переходит из основного состояния в возбужденное состояние. Вероятность поглощения пропорциональна плотности энергии падающего излучения, то есть количеству падающих фотонов с данной энергией.

Второй возможный процесс - это самопроизвольное излучение, то есть самопроизвольный переход атома из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, которое сопровождается излучением фотона с данной энергией. В то же время момент излучения фотона конкретным атомом не определяется. Существует только определенная вероятность возникновения спонтанного излучения.

И, наконец, третий и самый важный процесс - принудительная эмиссия. Под воздействием фотона, поступающего в активную среду, атом переходит на более низкий энергетический уровень. Этот переход также сопровождается излучением фотонов. Только полученный фотон имеет ту же частоту, что и фотон форсирования. Оба фотона также совместимы по фазе и параллельно. Вероятность вынужденного излучения в основном такая же, как и вероятность поглощения. Чтобы нарушить этот баланс, то есть увеличить вероятность вынужденного излучения, следует привести к состоянию, в котором атомы в состоянии с более высокой энергией будут доминировать над атомами с более низкой энергией. Это состояние называется инверсией профессий.

Это условие должно быть создано искусственно за счет энергии, поступающей извне. Этот процесс называется откачкой. Это задача насосной системы. Этот процесс должен быть очень эффективным. Инверсия профессий может быть вызвана вспышкой другого лазера, протеканием тока в газовой среде или химической реакцией.

Однако инверсии профессий недостаточно, чтобы вызвать самопроизвольное генерирование когерентного света. Для этого необходимо включить положительный отзыв. Его роль играет, например, расположение параллельных зеркал. Одно из этих зеркал обычно является частично проницаемым. Эти зеркала вызывают возврат некоторых фотонов в активную среду. Таким образом, оптическая система является своего рода резонатором для выбранного значения частоты. Эти фотоны, которые возвращаются в активную среду, вызывают излучение других фотонов.

Одним из типов лазеров является гелий-неоновый лазер. Активная среда этого лазера представляет собой смесь гелия и неона. Общее давление этой смеси составляет около 1,3 гПа. Гелий и неон в смеси находятся в соотношении 10: 1. Этот лазер имеет форму трубки из кварца, внутри которой расположены электроды. Когда на электроды подается напряжение, газ разряжается. Испускаемые электроны сталкиваются с атомами гелия и неона, передавая им свою кинетическую энергию. В результате атомы возбуждаются. Возбужденные атомы гелия находятся в метастабильных состояниях, и когда они сталкиваются с атомами неона в основном состоянии, они могут передавать им свою энергию возбуждения. Это способствует небольшой разнице в энергии между двумя уровнями. Происходит инверсия профессий.

В тот момент, когда в активном центре обеспечивается инверсия профессий, вероятность вынужденного излучения выше, чем вероятность поглощения. И теперь, если фотон испускается к лазеру, он встретит возбужденные атомы неона. Будет создан когерентный пучок фотонов, энергия которого определяется воздействующим фотоном.

Тщательный анализ уровней энергии показывает, что можно было бы получить много линий излучения на разных длинах волн. Для выбора желаемой длины необходимо использовать селективные диэлектрические зеркала. Зеркала резонатора выполнены из диэлектрических слоев. Одно из зеркал полностью отражает конкретную длину волны, а другое частично пропускающее. Наиболее распространенные длины волн, на которых работают гелий-неоновые лазеры: Тщательный анализ уровней энергии показывает, что можно было бы получить много линий излучения на разных длинах волн ,

Характеристики лазерного луча

  1. Сила луча

Плотность мощности лазерного излучения понимается как отношение полной мощности излучения к поверхности, через которую оно проходит. Например, для гелий-неонового лазера эта плотность составляет порядка Вт / см. Плотность мощности лазерного излучения понимается как отношение полной мощности излучения к поверхности, через которую оно проходит , Но для непрерывного газового лазера, который, например, СО-лазер плотность мощности может составлять 100 Вт / см , Для увеличения плотности мощности лазера используются линзы, которые фокусируют лучи на небольшой площади. Благодаря этому в фокусе гелий-неонового лазера он может достигать значения до 10 Вт / см , Гораздо более высокие плотности мощности характеризуются импульсными лазерами. Примером такого лазера является рубиновый лазер, для которого плотность мощности достигает 10 Вт / см ,

Напротив, термин спектральная плотность мощности понимается как мощность лазерного луча, которая падает на данную единицу площади и единицу частотного диапазона. Высокая спектральная плотность мощности характеризуется гелий-неоновым лазером.

  1. монохромный

Название монохроматичность предполагает электромагнитное излучение, которое состоит ровно из одной частоты, которая соответствует определенной длине волны. На самом деле, однако, невозможно получить такое точное излучение. Известно, что при переходе атомов из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень излучается электромагнитное излучение. Однако он не имеет определенного значения частоты, но находится в определенном частотном диапазоне. Это связано с тем, что, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно точно определить уровни энергии уровней энергии. Поэтому введено понятие естественной ширины спектральной линии лазерного излучения. Диапазон частот, который может быть получен для данного лазера, определяется методом генерации этого излучения и оптическим резонатором. Например, в рубиновом лазере ширина спектральной линии обычно не превышает 0,01 мм.

3. Параллельность лазерного луча.

Тип оптического резонатора, который является частью данного лазера, определяет, каким будет угол луча лазерного луча. Это связано с тем, что причиной расхождения является отклонение электромагнитной волны в апертуре оптической системы.

И поэтому, если в качестве резонатора используются два плоских зеркала, расхождение будет наименьшим.

  1. Согласованность ( сплоченность лазерный луч)

Волны являются последовательными, если они характеризуются разностью фаз во времени. Это дает им возможность вмешиваться. Источник, который испускает когерентное излучение, также называется когерентным.

Мы можем говорить о временной согласованности и пространственной сплоченности. Временная когерентность означает способность создавать помехи двум световым волнам, которые приходят в одном направлении от одного и того же источника излучения, но через определенный интервал времени.

Однако под пространственной когерентностью подразумевается способность создавать помехи световым волнам, излучаемым расширенным источником, при условии согласованности во времени.

  1. Линейная поляризация

Если лазер будет иметь подходящую структуру, можно будет получить практически полностью линейно поляризованный луч лазерного света.