Принцип работы газоразрядных лазеров

Газоразрядные лазеры

Инверсия населенностей уровней (инверсия населенностей уровней- населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего, коэффициент поглощения становится отрицательным и возникает усиление электромагнитной волны.)создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударении со свободными быстрыми электронами, образующимися в электрическом разряде.

Рассмотрим принцип работы на примере. Возьмем 2 произвольных энергетических уровней 1 и 2 с соответственными населениями N1 и N2. Тогда в этой среде будет распространяться волна F. Изменение плотности потока будет рассчитывать по формуле:

Где dF- плотность потока фотонов, dz- толщина слоя, F- волна, d- плотность, - коэффициент поверхностного натяжения, N1,N2- населения, соответствующие энергетическим уровням.

Если N1>N2, тогда среда ведет себя как усиливающая, а если N1<N2, то, как поглощающая. Если удается достигнуть неравновесного состояния, то будет инверсия населенности (N2-N1>0).

Чтобы усилитель превратить в генератор необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В лазере обратную связь можно получить размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения.

В лазерах генерация возможна при выполнении одного порогового условия. Усиление активной среды компенсирует потери в нем. Усиление излучения за один проход в активной среде будет равно

где l- длина активной среды, exp-экспонента, где e- число Эйлера, N1,N2- населения, соответствующие энергетическим уровням, - коэффициент поверхностного натяжения. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия

где R1 и R2- коэффициенты отражения зеркал по интенсивности, exp- экспонента, где e- число Эйлера, N1,N2- населения, соответствующие энергетическим уровням, - коэффициент поверхностного натяжения, l- длина активной среды. Данное условие показывает , что порог достигается тогда, когда инверсия населенности приближается к некоторому критическому значению (N2-N1)кр, называемому критической инверсией и определяемому соотношением

где R1 и R2- коэффициенты отражения зеркал по интенсивности, N1,N2- населения, соответствующие энергетическим уровням, - коэффициент поверхностного натяжения, l- длина активной среды, ln- натуральный логарифм.

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения.[3]
Формула измерения величин малых размеров:

где - ширина щели, либо же диаметр какого-либо предмета, - угол, - номер минимума, - длина волны. [15]

Применение лазеров

Применение лазеров довольно различно, выделим самые важные. Они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в производстве и быту. Приведем примеры. В производстве лазеры используют для резки, сверления, сварки, пайки , закалки, обработки поверхностей. При помощи лазера можно вырезать различные формы, даже самые сложные, которые нельзя сделать благодаря другим инструментам. В маркировке и художественной гравировке изделий из различных материалов их используют для того, чтобы повысить их износостойкость. Так же лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. С помощью лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используют в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Но так же им есть применение и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний, можно приварить отслоившуюся сетчатку глаза, производить соединение костных и мышечных тканей. Зачастую лазеры применяются в очистке артерий человека от тромбоцитных бляшек. В косметологии благодаря лазерам можно удалить татуировки, некоторые родимые пятна и даже нежелательные волосы на теле. Лазеры так же необходимы и в астрономии. Лазер применяют для астрономического телескопа, чтобы создать искусственные опорные звезды в верхних слоях атмосферы. Отдельной областью применения лазеров является лазерная связь. В компьютерных и телефонных сетях она обеспечивает обмен информации в режиме полного дуплекса. Лазерное устройство может осуществлять передачу любого светового потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля. Так же лазеры используются и в сфере продаж, ибо без лазеров не считывались бы штрих - коды . Очень популярны лазерные принтеры, которые нужны многим людям, потому что при работе данного принтера, точки изображения позиционируются точно. [1],[2]

Практическая часть

Перед тем как проделать некую практическую часть по измерению диаметра проволоки – разберемся что из себя представляет свет, интерференция, дифракция , как происходит излучение лазера и принцип Гюйгенса.

Свет состоит из фотонов, между тем как фотон состоит постоянной Планка и частоты света. Постоянная Планка (h) и частота света ( ) вместе создают формулу h (энергии).

К электростатическому полю присоединяют магнит, и начинается колебание между ними. Данное колебание создано электромагнитным полем, и двигаясь со скоростью (с), это колебание создает волну.

E - частота

В атоме на самом нижнем уровне, находящемся ближе к ядру, E1 находится электрон. Данный электрон находится в метастабильном состоянии. Потом произвелась накачка (h ) , допустим, другим лазером, и эту энергию принял тот электрон. В этот момент он перешел в возбужденное состояние. Благодаря этому электрон переходи на уровень выше, допустим, E3. Там он находится какое-то время (τ)в неметастабильном состоянии. Позже он начнет терять энергию , из-за этого спустится на уровень ниже, допустим, E2. Вот как раз в тот момент, когда он переходил с E3 на E2 , выделилась энергия, т.е. произошло излучение. Итак, этот процесс может происходить бесконечно.

Внутри лазера находится много таких уровней. По обеим сторонам лазера поставим резонаторы (зеркала), одним из которых будет непрозрачным (R=1), а второй полупрозрачный (R<1), где R- коэффициент отражения. Начав накачку, свет (hv) проходит через непрозрачный резонатор, поступает к электрону и он переходит в возбужденное состояние. Начинается процесс, описанный ранее. После, излучаемый свет идет дальше к полупрозрачному зеркалу, но так как электрону не хватает энергии пройти через второй резонатор, он отражается от него, и эта энергия дается снова другому электрону. Из активной среды снова начинается тот процесс, потом излучается свет, отражается от другого резонатора (R=1) и так много раз, пока энергия света не будет способна пройти через второй резонатор (R<1). Как только энергии будет достаточно и электрон сможет, то произойдет излучение.

,A - амплитуда волны.
T- период (частота)

Интерференция- явление сложения волн.

Принцип Гюйгенса. Допустим, возьмем лампу. От неё излучается свет. Этот свет излучается дальше, создав некую окружность. У этой окружности будет вторичные источники света, которые будут дальше распространять свет.

Благодаря этому принципу образуется дифракция на щели.

По формуле

где - ширина щели, либо же диаметр какого-либо предмета, - угол, - номер минимума, - длина волны, найдем .

Сначала нужно измерить расстояние от точки излучения до центра пятна Пуассона, перевести полученный результат из сантиметров в метры. Потом измерить расстояние от точки излучения до любого, выбранного Вами, минимума. Чтобы найти градусную меру угла – находим его tg. По значению tg находим градусную меру угла и производим расчеты для нахождения .
Дано: k = 6 ; = 0.63 * 10^-6.
Найти: .
Решение:
Для начала измерим расстояние от точки излучения до пятна Пуассона. Оно равно 1/955 м. Дальше измерим расстояние от точки Пуассона до 6-го минимума. Оно равно 0.035 м.
Теперь найдем тангенс. Тангенс - отношение противолежащего катета к прилежащему, отсюда следует, что tg = 0.035/1.955 = 0.017 Градусная мера угла равна 1 градусу.
Sin1= 0.017. Теперь, подставив все значения в формулу, найдем искомое.
d = (3.78 * 10^-6)/ 0.017 = 222 * 10^-6= 0,2 мм

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: