Помпена система - Studiopedia
Активна среда
В момента като работна среда на лазера се използват различни агрегатни състояния на материята: твърди, течни, газообразни и плазмени. В нормално състояние материалите за активната среда са в стандартното си състояние, след което с помощта на определени реагенти атомите на тези газове, течности или твърди вещества се привеждат във възбудено състояние и започва процесът на производство на светлинен поток. Електромагнитната вълна се използва за възбуждане на атоми на определени вещества в активната среда на лазера. Важен компонент от работата на лазерната активна среда е квантовото усилване (не забравяйте, че лазерът е квантов генератор). Квантовият коефициент на усилване в лазера е основен показател за изчисляване на работата на инсталацията. В съвременните лазерни съоръжения се получава квантово усилване на атомите, докато изходящата и входящата енергия са балансирани и равни една на друга.
В нормално състояние броят на атомите във възбудени енергийни нива се определя от разпределението на Болцман:
тук N е броят на атомите във възбудено състояние с енергия E, N0 е броят на атомите в основно състояние, k е константата на Болцман, T е температурата на средата. С други думи, във възбудено състояние има по-малко такива атоми, отколкото в основно състояние, така че вероятността фотон, разпространяващ се през средата, да предизвика стимулирано излъчване, е малка в сравнение с вероятността за неговото поглъщане. Следователно електромагнитната вълна, преминаваща през веществото, изразходва енергията си за възбуждане на атоми. В този случай интензитетът на излъчване намалява съгласно закона на Бугер.
тук I0 е началният интензитет, Il е интензитетът на радиацията, която е изминала разстоянието l в веществото, a1 екоефициент на абсорбция на веществото. Тъй като зависимостта е експоненциална, радиацията се абсорбира много бързо.
В случай, че броят на възбудените атоми е по-голям от броя на невъзбудените (т.е. в състояние на инверсия на населението), ситуацията е точно обратната. Актовете на стимулирано излъчване преобладават над абсорбцията и излъчването се усилва според закона:
където a2 е квантовото усилване. В реалните лазери усилването се получава, докато количеството енергия, идваща поради стимулирано излъчване, стане равно на количеството енергия, загубено в резонатора. Тези загуби са свързани с насищането на метастабилното ниво на работното вещество, след което енергията на помпата се използва само за неговото нагряване, както и с наличието на много други фактори (разсейване от нееднородности на средата, поглъщане от примеси, несъвършенство на отразяващите огледала, полезно и нежелано излъчване в околната среда и др.).
Използват се различни механизми за създаване на обратна популация на лазерната среда. При твърдотелните лазери се осъществява чрез облъчване с мощни газоразрядни флаш лампи, фокусирано слънчево лъчение (т.нар. оптично изпомпване) и лъчение от други лазери. В този случай работата е възможна само в импулсен режим, тъй като са необходими много високи плътности на изпомпващата енергия, които причиняват силно нагряване и разрушаване на пръта на работното вещество при продължително излагане. Газовите и течните лазери използват изпомпване с електрически разряд. Тези лазери работят непрекъснато. Химическите лазери се изпомпват чрез химически реакции в тяхната активна среда. В този случай инверсията на населението възниква или директно в продуктите на реакцията, или в специално въведени примеси с подходяща енергийна структура.нива. Полупроводниковите лазери се изпомпват под действието на силен постоянен ток през p-n прехода, както и чрез електронен лъч. Съществуват и други методи за изпомпване (газодинамични методи, състоящи се в рязко охлаждане на предварително загряти газове; фотодисоциация, специален случай на химическо изпомпване и др.).
(а) тристепенна и (б) четиристепенна схеми за изпомпване на лазерната активна среда.
Класическата тристепенна система за изпомпване на работната среда се използва например в рубинен лазер. Рубинът е кристал от Al2O3 корунд, легиран с малко количество Cr3+ хромни йони, които са източник на лазерно лъчение. Поради влиянието на електрическото поле на кристалната решетка на корунда, външното енергийно ниво на хром E2 се разделя. Това прави възможно използването на немонохроматично лъчение като помпа. В този случай атомът преминава от основно състояние с енергия E0 във възбудено състояние с енергия около E2. Атомът може да остане в това състояние за сравнително кратко време (от порядъка на 10–8 s); почти веднага настъпва нерадиационен преход към ниво E1, при което атомът може да остане много по-дълго (до 10–3 s), това е така нареченото метастабилно ниво. Има възможност за реализиране на индуцирана емисия под въздействието на други случайни фотони. Веднага щом има повече атоми в метастабилно състояние, отколкото в основното, процесът на генериране започва.
Трябва да се отбележи, че е невъзможно да се създаде инверсия на населението на Cr атоми чрез изпомпване директно от ниво E0 към ниво E1. Това се дължи на факта, че ако абсорбцията и стимулираната емисия възникнат между две нива, тогава и двата процеса протичат с еднаква скорост. Следователно в този случай изпомпването може самоизравняват популациите на двете нива, което не е достатъчно за възникване на поколение.
В някои лазери, например в неодимови лазери, радиацията се генерира върху неодимови йони Nd3+ и се използва четиристепенна схема на изпомпване. Тук между метастабилното Е2 и основното ниво Е0 има междинно - работно ниво Е1. Стимулираното излъчване възниква, когато атом преминава между нивата E2 и E1. Предимството на тази схема е, че в този случай е лесно да се изпълни условието за инверсия на населението, тъй като животът на горното работно ниво (E2) е с няколко порядъка по-дълъг от живота на долното ниво (E1). Това значително намалява изискванията към източника на помпата. В допълнение, такава схема позволява създаването на мощни лазери с непрекъсната вълна, което е много важно за някои приложения. Такива лазери обаче имат значителен недостатък под формата на ниска квантова ефективност, която се определя като съотношението на енергията на излъчения фотон към енергията на абсорбирания фотон на помпата (ηquantum = hνradiation / hνpump)
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: