Устаткування й прилади

Лазерна технологічна установка "Квант-16"; лазер газовий ЛГ-105; генераторна головка твердотільного лазера; лазерний стрижень, лампа накачування, відбивний блок, набір дзеркал резонатора, випромінювач газового лазера; штангенциркуль, лінійка; матеріали (вата, спирт метиловий, дрантя).

1.2. Загальні положення

Відповідно до законів квантової механіки енергія атома може мати певний дискретний ряд значень, названих рівнями енергії. Самий нижній рівень енергії (рис.6.1.а) при якому енергія системи мінімальна, називається основним рівнем. Інші рівні (ε₁-ε₂ …) відповідають більше високій енергії системи й називаються збудженими. У збудженому стані атом може перебувати лише короткий час і прагне перейти в один зі станів з меншою енергією. Такі переходи можуть здійснюватися атомами мимовільно (спонтанно)

(рис.6.1,б) або вимушено (під дією електромагнітної хвилі із частотою ν, при цьому з атома виділяється відповідна різниця енергій ε₁-ε₂.

Частота випромінюваної хвилі визначається залежністю Планка:

v = ε₁-ε₂ / h

де h - постійна Планка (6,63 10 Дж с).

Зовнішня резонансна хвиля «розгойдує» електрон і прискорює його падіння на рівень із меншою енергією. Падаюча хвиля визначає напрямок поширення випущеної хвилі й підсилюється лавиноподібно (мал. 6.1.в). Якщо атом спочатку перебуває на якому-небудь із нижніх рівнів, то при падінні на речовину електромагнітної хвилі із частотою ν, обумовленої вираженням (6.1), атом речовини перейде з більше низького рівня на

більше високий (рис. 6.1. г). Різниця енергій ε₁-ε₂, необхідна для такого переходу, береться з енергії падаючої електромагнітної хвилі. У цьому полягає процес поглинання. У природних умовах нижні енергетичні рівні населені більш щільно, ніж верхні. Отже, щоб зробити середовище підсилююче електромагнітну хвилю, необхідно досягти нерівноважного стану, при якому населеність верхнього рівня N2 буде більше населеності нижнього N₁ т.т. N₂>N_1.

У цьому випадку прийнято говорити, що в середовищі існує інверсія населеності, маючи на увазі, що різниця населеностей N₂-N₁>0 протилежна тієї, котра існує у звичайних умовах (N₂-N₁ <0). Середовище, у якій відтворюється інверсія населеності,

називається активною. Процес, під дією якого атоми переводяться на верхні рівні,

називається накачуванням. Існує кілька методів накачування. Прилади, що підсилюють наведеним способом електромагнітну

хвилю в оптичному діапазоні, називаються лазерами (англ. Laser). Ця назва

утворена початковими буквами слів англійської фрази: Light amplification

by stimulated emission of radiation - посилення світлових хвиль за

допомогою змушеного випромінювання.

Рис. 6.1 Схеми енергетичних рівнів лазерних середовищ

При поширенні електромагнітної хвилі в активному середовищі

щільність потоку фотонів у ній поступово підвищується. Однак більшість

активних середовищ мають низький коефіцієнт квантового підсилення.

Так, для 100-кратного підвищення, амплітуди хвилі підсилювач на рубіні

повинен мати довжину більше 920 м. Для скорочення розмірів

підсилювачів у їхню конструкцію введений позитивний зворотний зв'язок.

Для цього активне середовище розміщають між двома дзеркалами з

високим коефіцієнтом відбиття (рис 6.2). У цьому випадку

електромагнітна хвиля, що поширюється в напрямку, перпендикулярному до дзеркал, буде по черзі відбиватися від них, багаторазово проходити через активне середовище, підсилюючись протягом дії джерела накачування.

Для виводу з резонатора пучка підсиленого випромінювання використовують різні методи, що дозволяють зберегти частину енергії в резонаторі для підтримки процесу посилення. Найчастіше для цього одне із дзеркал (вихідне) є світлоділильним. Частина випромінювання для його споживання воно випускає, а частина повертає для подальшого посилення в резонаторі.

Рис. 6.2 Схема резонатора лазерного випромінювання

Рис. 6.3 Блок-схема лазера з оптичним накачуванням активного середовища

Таким чином, основними елементами оптичного квантового генератора є резонатор з поміщеної в нього активним середовищем, система накачування активного середовища, джерело живлення й схема керування роботою лазера. До додаткових пристроїв, що забезпечують працездатність лазера в необхідному режимі, ставляться система охолодження активного середовища й елементів системи накачування, пристрою для керування й контролю параметрів випромінювання й ін. Блок-схема лазера показана на рис. 6.3.