WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |

Электромагнитные волны любой частоты, в том числе и свет, представляют собой поток отдельных порций энергии – квантов или фотонов, энергия которых равна h. Переход между состояниями микрочастиц происходит только при взаимодействии с фотонами резонансной частоты mn, когда:

hmn = En – Em.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Если частица находится в возбужденном состоянии, а ее энергия превышает максимально допустимое значение Е0, то такое состояние не может сохраняться в течение значительного времени. Даже полностью изолированная от внешней среды возбужденная частица через некоторое время перейдет в состояние с меньшей энергией. При этом переходе она испускает фотон. Такой переход называется самопроизвольным или спонтанным излучением. Спонтанное излучение носит шумоподобный характер. Отдельные акты спонтанного излучения различными частицами происходят случайно. Момент излучения кванта каждой из возбужденных частиц, направление его движения и поляризация не связаны с актом испускания квантов другими такими же частицами. Все традиционные источники света (нагретые тела, плазма газовых разрядов) дают спонтанно излучаемый свет.

Иначе происходит процесс индуцированного излучения. Если возбужденная частица находится под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты, то она может перейти в состояние с меньшей энергией. При этом она испускает квант, не отличимый от приходящих извне, то есть имеющий такую же частоту, поляризацию и направление распространения. Вероятность испускания индуцированного излучения пропорциональна интенсивности внешнего излучения - числу квантов в единицу времени. Фаза возникающих при индуцированных переходах электромагнитных волн строго согласована с фазой внешних волн.

Поток индуцированного излучения отличается от первичного только возрастающей интенсивностью.

Однако, в любой находящейся в термодинамическом равновесии или вблизи его системе частиц заселенности более высоких уровней энергии меньше заселенностей уровней, расположенных ниже. Поэтому процессы поглощения квантов происходят чаще, чем индуцированное излучение. По этой же причине электромагнитные волны резонансной частоты, взаимодействуя с такими же частицами, рассеивают свою энергию и затухают. В термодинамическом равновесии система не теряет и не приобретает энергию, поэтому число переходов 12 и 21 совпадают, то есть:

W12 N1 = W21 N2 + A21 N2, где W12 и W21 – вероятности вынужденных переходов в единицу времени;

А21 – вероятность спонтанного перехода частицы из возбужденного состояния в единицу времени, называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанных переходов.

Среднее время жизни частицы в возбужденном состоянии:

о =.

А Чтобы индуцированное излучение преобладало над поглощением, необходимо за счет внешних сил вывести систему частиц из состояния термодинамического равновесия. При этом за счет внешнего источника PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com энергии создается более высокая заселенность одного из возбужденных состояний, чем заселенность хотя бы одного из состояний с меньшей энергией, то есть создается инверсная заселенность в системе микрочастиц.

И лишь в этом случае состоящая из таких частиц среда становится активной, то есть способной усиливать волны резонансной частоты.

Академиком Прохоровым было предложено использование системы из двух зеркал, между которыми следовало располагать среду. При этом используется эффект многократного прохождения излучения через среду за счет отражения от зеркальных поверхностей. Этот эффект аналогичен получению положительной обратной связи в системе усиления. Он приводит к резонансному усилению электромагнитной энергии, которое определяется выражением:

A Q =, 1 - B A где А – коэффициент усиления без обратной связи;

B – коэффициент обратной связи.

Когда произведение B·А1, то Q, и система начинает генерировать. Это один из важных моментов использования таких зеркал.

Второй момент заключается в следующем: излучение многократно отражается от зеркальных поверхностей, образующих открытый зеркальный резонатор. Значительного усиления достигнут только те волны, которые распространяются перпендикулярно зеркалам. Остальные получат усиление тем слабее, чем под большим углом они направлены к поверхности зеркала.

Следовательно, на выходе из резонатора энергия распределена в узком, почти параллельном пучке. Такой луч имеет малую расходимость. В любом ОКГ используется явление индуцированного излучения среды, поддерживаемой в состоянии с инверсной заселенностью уровней за счет работы стороннего источника энергии. Более подробно принцип работы ОКГ рассмотрим на примере конструкции лазера с рубиновым стержнем.

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой атомов трехвалентного хрома. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых импульсной лампой фотонов возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Для изготовления лазеров подбирают такие вещества, атомы которых переходят из возбужденного состояния в основное не сразу, а через промежуточное метастабильное состояние. Атомы находятся в этом состоянии до тех пор, пока они не будут вынуждены перейти в основное состояние. Длина волны излучаемого света, при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможным.



В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить при этом фотон, как это стимулирует такой же переход других атомов. Таким образом, метастабильное состояние атомов является определяющим в работе лазера.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Процесс перевода в атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки и представляет собой процесс заселения метастабильного уровня. При вспышке разрядной трубки, подключенной к источнику питания, возбуждается активный элемент – рубиновый стержень. Возникший в нем луч увеличивается, многократно отразившись от зеркал, и выходит через поверхность, частично отражающую свет в виде когерентного светового излучения. Когерентным называют излучение с одной частотой, одним направлением и с одинаковыми фазами или с постоянной разностью фаз.

Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера при его освещении импульсной вспышкой, показаны на рисунке 7.1.

Рис.7.1. Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера:

- частицы, находящиеся в основном состоянии;

- частицы, находящиеся в возбужденном состоянии.

В ситуации а) 13 частиц активного вещества находятся в основном состоянии, то есть на нижнем энергетическом уровне. Внешнее электромагнитное поле переводит частицы в возбужденное состояние. В ситуации б) возникло самопроизвольное излучение от 7-ми частиц. излучили под углом к оси резонатора, и это излучение покинет резонатор и активное вещество, не получив какого-либо усиления. 3 частицы излучили вдоль активного вещества. Это излучение присоединит к себе еще несколько возбужденных частиц, и тогда к правому зеркалу подойдет уже усиленное излучение. Из ситуации в) видно, что часть излучения отразилась от правого зеркала и направилась в левую сторону, вовлекая в процесс излучения частицы, расположенные на своем пути. Из ситуации г) видно, что излучение отразилось от левого зеркала и направилось вправо, вовлекая в процесс PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com излучения все оставшиеся возбужденные частицы. Ситуация д) показывает, что все ранее возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию. На выходе из резонатора образуется мощный поток индуцированного излучения. Для вывода излучения из резонатора одно из его зеркал делается полупрозрачным.

Таким образом, можно отметить, что волна будет расти по амплитуде и перемещаться в активном веществе. Наибольшего усиления достигнет волна, которая многократно пройдет активное вещество. Получив значительное усиление, продольные волны покинут активное вещество, причем все они будут сосредоточены в узком пучке.

Лазерное излучение характеризуется следующими особенностями (в отличие от теплового излучения):

а) узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие сколь-нибудь существенного отклонения от оптической оси;

б) монохроматичностью, которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня;

в) значительной выходной мощностью, так как в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны;

г) когерентностью пространственной, поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распространения волн;

д) когерентностью временной, поскольку излучение монохроматично, и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени.

7.2. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ИНВЕРСНОЙ ЗАСЕЛЕННОСТИ Способы создания инверсной заселенности активных частиц зависят не только от конкретной схемы уровней и свойств этих частиц, но и от свойств других компонент активной среды, называемой рабочим телом лазера. В качестве рабочего тела современных технологических лазеров используются газовые смеси, а также различные среды: кристаллы, стекла, полупроводники и жидкости. Наибольшее распространение в лазерных системах получили оптический, газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки [9].

При оптической накачке рабочее тело подвергается воздействию потока сета, излучаемого импульсной или непрерывно действующей газоразрядной лампой. Свет лампы поглощается активной средой.

Существенным недостатком оптического метода возбуждения является несоответствие спектра излучения источника и спектра поглощения PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com активной среды, что приводит к снижению эффективности преобразования световой энергии в энергию возбуждения среды.

При газоразрядном способе возбуждения активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию поддерживаемого в нем электрического разряда. Заселение уровней осуществляется в результате столкновения частиц среды между собой, а также с электронами газового разряда.

Правильно выбирая среднюю энергию электронов путем изменения электрического поля и давления газа в разряде, можно добиться эффективного возбуждения активных частиц и осуществить инверсию в больших объемах.

При газодинамическом способе инверсная заселенность среды получается при резком расширении предварительно нагретого рабочего тела с равновесной заселенностью уровней. Этот способ отличается от других способов возбуждения тем, что преобразование тепловой энергии в энергию излучения осуществляется непосредственно без использования электрической энергии. Благодаря возможности получения больших расходов смеси газодинамический способ используется при создании технологических лазеров повышенной мощности.





При химическом способе образование и возбуждение активных частиц среды происходит в результате неравновесных химических реакций.

Основное достоинство данного метода накачки – возможность его осуществления без источников теплоты и электрической энергии.

7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом, на входе слабое излучение, на выходе – усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают, более того, перевозбуждают активное вещество, причем, если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения [9].

Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт называются высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105 – 103 Вт – имеем лазеры средней мощности. Если выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

Диапазон лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, то есть от 10-3 до 102 мкм.

Энергия импульса достигает наибольшей величины у твердотельных генераторов – порядка 103 Дж.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Газовые лазеры, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на СО2.

Импульсная мощность твердотельных лазеров достигает 106 Вт (длительность импульса 10-6 с). Это не предел. Можно получить энергию в импульсе 103 Дж, длительность импульса 10-9 с, мощность 1012 Вт.

При интенсивности луча 105 Вт/см2 начинается плавление металла, при 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерной излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

7.4. ЛАЗЕРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ В лазерах этого типа излучателем - активным элементом является твердое тело. В таких лазерах основная масса диэлектрика (матрица) непосредственного участия в процессе генерации индуцированного излучения не принимает. Стимулированное излучение и генерация связаны с происходящими в матрице переходами атомов активатора, содержащегося в ней в количестве 0,1-10 %.

Материалом матрицы служат кристаллы щелочноземельных фторидов, вольфраматов или молибдатов, синтетического рубина, иттриевоалюминиевые гранаты, стекла различных составов. Активирующими примесями являются различные редкоземельные элементы, а также хром и уран.

При нагреве рабочего тела изменяются энергетические уровни оптически активных атомов, и при достижении некоторой предельной температуры генерация когерентного излучения прекращается. Кроме того, нагрев стержня приводит к возникновению в нем термических напряжений, из-за чего может произойти разрушение стержня, поэтому в большинстве конструкций твердотельных лазеров предусматривается охлаждение рабочего тела воздухом, водой или жидким азотом.

Световое излучение лампы-вспышки воздействует на активные атомы оптического резонатора, которые возбуждаются и затем при переходе на более низкие энергетические уровни генерируют собственное излучение.

Частота повторения импульсов зависит в основном от условия охлаждения и характеристик импульсной лампы. В современных лазерах она доходит до 600 импульсов в минуту.

Энергия, излучаемая лазером, изменяется в пределах от сотых долей до сотен Дж. КПД твердотельных лазеров относительно невелик, поскольку значительная часть подводимой к лампе накачки энергии превращается в теплоту.

Лазерное излучение на поверхности обрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором – в линию.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 7.5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Лазер состоит из пяти блоков:

- излучающей головки;

- блока конденсаторов;

- выпрямительного блока;

- блока поджига;

- пульта управления.

Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем в монохроматичное лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжается конденсатор. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампахвспышках.

НРис. 7.3. Приниципиальная схема питания лазера 7.6. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПИТАНИЯ Схема питания состоит из высоковольтного выпрямителя ВВ, блока поджига БП, блока конденсаторов БК, измерительной аппаратуры и системы автоблокировки.

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.