Лазерные активные среды
В качестве лазерной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечить инверсию населенности. Это возможно у следующих материалов:
а) свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;
б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;
в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;
г) легированные полупроводники;
д) свободные электроны.
Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов очень велико. В одном только элементе неоне наблюдается около 200 различных лазерных переходов. По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО2-лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.
Известны линии лазерной генерации от ультрафиолетовой области спектра (100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК-диапазоне. Лазеры плавно переходят в мазеры. Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн (рис. 16).. Но практическое значение приобрели только два-три десятка типов лазера. Наиболее широкое медицинское применение сейчас нашли СО2-лазеры, лазеры на ионах аргона и криптона, Nd:YAG-лазеры непрерывного и импульсного режима, лазеры на красителях непрерывного и импульсного режима, He-Ne-лазеры и GaAs-лазеры. Эксимерные лазеры, Nd:YAG-лазеры с удвоение частоты, Er:YAG-лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.
Рис. 16. Типы лазеров, наиболее часто применяемые в медицине.
Кроме того, лазерные активные среды можно различать по тому, формируют ли они дискретные лазерные лини, т.е. только в очень узком определенном интервале длин волн, или излучают непрерывно в широкой области длин волн. Свободные атомы и ионы имеют из-за их четко определенных энергетических уровней дискретные лазерные линии. Многие твердотельные лазеры излучают также на дискретных линиях (рубиновые лазеры, Nd:YAG-лазеры). Были разработаны, однако, также твердотельные лазеры (лазеры на центрах окраски, лазеры на александрите, на алмазе), длины волн излучения у которых непрерывно могут изменяться в большой спектральной области. Это касается в особенности лазеров на красителях, в которых эта техника прогрессировала в наибольшей степени. Лазеры на полупроводниках ввиду зонной структуры энергетических уровней полупроводников также не имеют дискретных четких лазерных линий генерации.
Дата добавления: 2017-01-08 ; просмотров: 3117 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Активная лазерная среда — Active laser medium
Активная лазерная среда(также называется усиливающая средаили лазерная среда) является источником оптического усиления в лазере. Усиление возникает в результате стимулированного излучения электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заполненного источником накачки.
Примеры активной лазерной среды включают:
- Определенные кристаллы, обычно легированные редкоземельнымиионами (например, неодимом, иттербием или эрбия ) или ионы переходного металла (титана или хрома ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат (Y 3Al 5O 12), ортованадат иттрия (YVO 4 ) или сапфир (Al 2O3); и не часто бромид цезия-кадмия (CsCdBr 3) , например силикатные или фосфатные стекла, легированные лазерно-активными ионами; , например смеси гелия и неона (HeNe), азота, аргона, окиси углерода, углерода диоксид или пары металлов; , например арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия индия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).
- Жидкости в виде растворы красителей, используемые в лазерах на красителях.
Для того, чтобы активировать лазер, активная усиливающая среда должна иметь нетепловое распределение энергии, известное как инверсия населенностей. Подготовка этого состояния требует внешнего источника энергии и известна как лазерная накачка. Накачка может осуществляться электрическими токами (например, полупроводниками или газами через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым разрядными лампами или другими лазерами (полупроводниковыми лазерами ). Более экзотические усиливающие среды могут накачиваться химическими реакциями, ядерным делением или высокоэнергетическими электронными пучками.
Содержание
- 1 Пример модели усиления средняя
- 1.1 Поперечные сечения
- 1.2 Устойчивое решение
- 1.3 Идентификаторы
- 1.4 Эффективность усиливающей среды
Пример модели активной среды
Универсальной модели, подходящей для всех типов лазеров, не существует. Самая простая модель включает две системы подуровней: верхнюю и нижнюю. Внутри каждой подуровневой системы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия, что приводит к статистике Максвелла – Больцмана возбуждений между подуровнями в каждой системе (рис.1). Предполагается, что верхний уровень — метастабильный. Кроме того, предполагается, что коэффициент усиления и показатель преломления не зависят от конкретного способа возбуждения.
Для хороших характеристик усиливающей среды расстояние между подуровнями должно быть больше рабочей температуры; тогда на частоте накачки ω p <\ displaystyle
\ omega _ <\ rm
>> преобладает поглощение.
В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Однако тот же термин используется даже в лазерных генераторах, когда усиленное излучение используется для передачи энергии, а не информации. Представленная ниже модель, кажется, хорошо работает для большинства твердотельных лазеров с оптической накачкой .
Поперечные сечения
Простую среду можно охарактеризовать с помощью эффективных сечений поглощение и излучение на частотах ω p <\ displaystyle
Активная лазерная среда — Active laser medium
Активная лазерная среда (называемая также усиливающая средой или активная средой ) является источником оптического усиления в пределах лазера . Усиление является результатом стимулированного излучения фотонов посредством электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заполненного источником накачки .
Примеры активных лазерных сред включают:
- Определенные кристаллы , обычно легированные ионамиредкоземельных элементов (например, неодима , иттербия или эрбия ) или ионами переходных металлов ( титана или хрома ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат ( Y3Al5O12 ), ортованадат иттрия (YVO 4 ) или сапфир (Al 2 O 3 ); и не часто бромид кадмия цезия ( CsCdBr3 )
- Стекла , например силикатные или фосфатные, легированные лазерно-активными ионами;
- Газы , например смеси гелия и неона (HeNe), азота , аргона , монооксида углерода , диоксида углерода или паров металлов;
- Полупроводники , например арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия индия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).
- Жидкости в виде растворов красителей, которые используются в лазерах на красителях .
Чтобы запустить лазер, активная усиливающая среда должна иметь нетепловое распределение энергии, известное как инверсия населенностей . Подготовка этого состояния требует внешнего источника энергии и называется лазерной накачкой . Накачка может осуществляться электрическими токами (например, полупроводниками или газами через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым газоразрядными лампами или другими лазерами ( полупроводниковые лазеры ). Более экзотические усиливающие среды могут накачиваться химическими реакциями , ядерным делением или пучками электронов высокой энергии .
СОДЕРЖАНИЕ
Пример модели усиливающей среды
Простейшая модель оптического усиления в реальных системах включает всего две, энергетически хорошо разделенные группы подуровней. Внутри каждой подуровневой группы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия . (рис.1) . Стимулированные выбросы между верхней и нижней группами, необходимые для усиления, требуют, чтобы верхние уровни были более заселены, чем соответствующие нижние. Этого легче достичь, если нестимулированные скорости перехода между двумя группами медленные, т. Е. Верхние уровни метастабильны . Инверсии населенностей легче производить, когда заняты только самые нижние подуровни, что требует либо низких температур, либо хорошо энергетически расщепленных групп.
В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Если внешняя энергия, необходимая для усиления сигнала, является оптической, она обязательно должна иметь такую же или более высокую частоту накачки .
Поперечные сечения
Простая среда может быть охарактеризована с эффективными сечениями от поглощения и излучения на частотах и . ω п <\ displaystyle
-
Произошла концентрация активных центров в твердотельных лазерах. N <\ displaystyle
Относительные концентрации можно определить как и . п 1 знак равно N 1 / N <\ displaystyle
> п 2 знак равно N 2 / N <\ displaystyle
Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить через и W ты знак равно я п σ а п ℏ ω п + я s σ а s ℏ ω s <\ displaystyle
Скорость переходов обратно в основное состояние может быть выражена как , где и — эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки. W d знак равно я п σ е п ℏ ω п + я s σ е s ℏ ω s + 1 τ <\ displaystyle
> и такие же для стимулированного излучения; σ е п <\ Displaystyle
> — скорость самопроизвольного распада верхнего уровня.
Тогда кинетическое уравнение для относительных населенностей можно записать следующим образом:
d п 2 d т знак равно W ты п 1 — W d п 2 <\ displaystyle
d п 1 d т знак равно — W ты п 1 + W d п 2 <\ displaystyle
> Однако эти уравнения сохраняются . п 1 + п 2 знак равно 1 <\ displaystyle
Поглощение на частоте накачки и усиление на частоте сигнала можно записать следующим образом: А <\ displaystyle
А знак равно N 1 σ п а — N 2 σ п е <\ displaystyle
A = N_ <1>\ sigma _ <\ rm
> — N_ <2>\ sigma _ <\ rm > > , . г знак равно N 2 σ s е — N 1 σ s а <\ Displaystyle
G = N_ <2>\ sigma _ <\ rm
> — N_ <1>\ sigma _ <\ rm > Устойчивое решение
Во многих случаях усиливающая среда работает в непрерывном или квазинепрерывном режиме, в результате чего временными производными населенностей можно пренебречь.
Стационарное решение можно записать:
п 2 знак равно W ты W ты + W d <\ displaystyle
> , п 1 знак равно W d W ты + W d . <\ displaystyle
Интенсивности динамического насыщения можно определить:
я п о знак равно ℏ ω п ( σ а п + σ е п ) τ <\ displaystyle
> , . я s о знак равно ℏ ω s ( σ а s + σ е s ) τ <\ displaystyle
Поглощение при сильном сигнале: . А 0 знак равно N D σ а s + σ е s <\ displaystyle
Коэффициент усиления при сильной накачке:, где — определитель поперечного сечения. г 0 знак равно N D σ а п + σ е п <\ displaystyle
> D знак равно σ п а σ s е — σ п е σ s а <\ displaystyle
D = \ sigma _ <\ rm
> \ sigma _ <\ rm > — \ sigma _ <\ rm > \ sigma _ <\ rm > Прибыль никогда не превышает значения , а поглощение никогда не превышает значения . г 0 <\ displaystyle
При заданных интенсивности , насоса и сигнала, усиление и поглощение может быть выражено следующим образом : я п <\ displaystyle
А знак равно А 0 U + s 1 + п + s <\ displaystyle
> , , г знак равно г 0 п — V 1 + п + s <\ displaystyle
где , , , . п знак равно я п / я п о <\ displaystyle
> s знак равно я s / я s о <\ displaystyle
> U знак равно ( σ а s + σ е s ) σ а п D <\ displaystyle
> V знак равно ( σ а п + σ е п ) σ а s D <\ displaystyle
Идентичности
Следующие тождества имеют место: , U — V знак равно 1 <\ Displaystyle UV = 1
> А / А 0 + г / г 0 знак равно 1 . <\ displaystyle
A / A_ <0>+ G / G_ <0>= 1
Состояние активной среды можно охарактеризовать одним параметром, например, населенностью верхнего уровня, усилением или поглощением.
КПД среды усиления
Эффективность усиливающей среды можно определить как . E знак равно я s г я п А <\ displaystyle
В одной и той же модели, эффективность может быть выражена следующим образом : . E знак равно ω s ω п 1 — V / п 1 + U / s <\ displaystyle
Для эффективной работы обе интенсивности, накачки и сигнала должны превышать их интенсивности насыщения; , и . п V ≫ 1 <\ displaystyle
Приведенные выше оценки справедливы для среды, равномерно заполненной накачкой и сигнальной лампой. Выгорание пространственной дыры может немного снизить эффективность, потому что некоторые области хорошо откачиваются, но накачка не эффективно отводится сигналом в узлах интерференции встречных волн.
Активная среда полупроводникового лазера
Активная среда — вещество, в котором создается инверсная заселенность. В разных типах лазеров она может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. Лазеры получают названия в зависимости от используемой активной среды.
Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны.
Существует два типа полупроводниковых лазеров.
Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, где в качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe
Второй тип полупроводникового лазера — так называемый инжекционный лазер — состоит из примесных полупроводников, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019 . Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия GaAs.
Условие создания инверсной населенности для полупроводников на частоте v имеет вид:
То есть, чтобы излучение в полупроводниковом монокристалле усиливалось, расстояние между уровнями Ферми для электронов и дырок должно быть больше энергии кванта света hv. Чем меньше частота, тем при меньшем уровне возбуждения достигается инверсная населенность.