Изучение свойств излучения оптического квантового генератора на смеси гелия и неона (лабораторная работа), страница 2

Все свойства лазерного излучения зависят исключительно от совокупности действия активной среды А и резонатора. Выбор активной среды определяет длину волны генерации, предельные мощности и КПД, выбор резонатора – пространственную и спектральную структуры излучения, реальную мощность и КПД.

А – плазма разряда, активная среда; М₁, М₂ – зеркала оптического резонатора; ,  – напряжение на электродах.

Рисунок 1.1 –  Схема газоразрядного лазера:

Для получения оптического усиления активной средой требуется реализация определенных условий. Прохождение света через любую материальную среду обычно сопровождается его поглощением по закону:

                                                          ,                                                  (1.1)

где  – интенсивность падающей волны с частотой ;

       – интенсивность прошедшей волны;

        – длина пути к среде;

       – коэффициент поглощения.

          Усиление – процесс, обратный поглощению. В этом случае коэффициент

 в формуле  (1.1) отрицателен, и происходит экспоненциальное нарастание интенсивности по закону:

                                                            .                                                (1.2)

          При микроскопическом подходе процессы поглощения и усиления связываются с процессами вынужденного поглощения и испускания кванта. Если атом находится в возбужденном состоянии Е₂ и в области, его окружающей, отсутствует электромагнитное поле, то процесс перехода атома в нижнее состояние Е₁, сопровождаемый излучением фотона , называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как при этом различные атомы излучают независимо друг от друга. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются в результате спонтанных переходов атомов и молекул.

          Однако, при распространении через среду световой волны частоты , соответствующей разности энергий каких-либо двух уровней Е₂ и Е₁ атомов или молекул ( = Е₂ – Е₁) к спонтанному излучению добавляются следующие радиационные процессы

1  Атомы, находящиеся на нижнем уровне Е₁, в результате поглощения кванта энергии  переходят на уровень Е₂ (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема энергетических уровней атома

Число таких переходов пропорционально  – концентрации атомов на уровне Е₁. В результате переходов Е₁ ® Е₂ волна теряет энергию. Этот процесс называется резонансным  поглощением.

2  Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне Е₂, переходят на уровень Е₁, причем внешнее электромагнитное излучение частоты  повышает вероятность такого перехода. Излучение атомов в этом случае имеет ту же частоту, направление распространения, фазу, поляризацию, что и внешнее излучение, т.е. излучение будет когерентным. Такой процесс излучения называется индуцированным и характеризуется вероятностью перехода тем большей, чем больше плотность энергии внешнего электромагнитного излучения. В результате переходов Е₂ ® Е₁ в световую волну добавляется энергия. Число таких переходов пропорционально  – концентрации атомов на уровне Е₂.