Métodos para criar inversão populacional. Métodos para criar uma diferença populacional inversa (métodos para bombear um meio ativo) Criando uma população inversa em um meio ativo

Para criar um meio ativo, é necessária a excitação seletiva dos átomos, o que garante a população preferencial de um ou mais níveis de energia. Um dos mais simples e métodos eficazesé o método de bombeamento óptico, que foi usado no primeiro L. no rubi. Ruby é um cristal de óxido de alumínio Al2O3 com uma mistura (~ 0,05%) de íons Cr3+ substituindo átomos de Al. Níveis de energia do íon Cr3+ em rubi. A absorção de luz correspondente às regiões azul e verde do espectro transfere íons Cr3+ do nível fundamental E1 para níveis excitados que formam duas bandas largas 1 e 2. Então, em um tempo relativamente curto (~ 10 . O excesso de energia é então transferido para vibrações da rede cristalina. A vida útil dos íons Cr3+ nos níveis E 2 e é de 10-3 segundos. Somente depois de decorrido esse tempo é que os íons retornam ao nível do solo E1 novamente. As transições E2® E1 e ® E1 correspondem à radiação na região vermelha do espectro. Se um cristal de rubi for iluminado com luz de uma fonte com intensidade suficientemente alta nas regiões azul e verde do espectro (bandas de bomba), então os íons Cr3+ se acumulam nos níveis E2 e ocorre uma inversão das populações desses níveis com em relação ao nível do solo E1 ocorre. Isso possibilitou a criação de um laser operando nas transições E2® E1 e ® E1, gerando luz com comprimento de onda l "0,7 μm.

Para criar uma inversão das populações dos níveis E2 em relação a E1, é necessário transferir mais de metade dos iões Cr3+ para os níveis E2 num tempo não superior a 10-3 segundos. Isto impõe grandes exigências à potência da fonte da bomba. Lâmpadas de xenônio de impulso são usadas como tais fontes. A duração do pulso da bomba é geralmente de aproximadamente 10-3 segundos. Durante este tempo, vários J de energia são absorvidos em cada cm3 do cristal.

O método de criação de um meio ativo diretamente em uma descarga elétrica em vários gases tornou-se difundido. As possibilidades de obtenção de pulsos de geração de alta energia por meio deste método são limitadas principalmente pela baixa densidade do meio de trabalho; a inversão populacional é mais fácil de obter em gases comparativamente rarefeitos. Porém, este método permite utilizar uma grande variedade de gases atômicos e moleculares e suas misturas, bem como diversos tipos de descargas elétricas em gases, como meio ativo para lasers. Como resultado, foi possível criar lasers operando nas regiões infravermelha, visível e ultravioleta do espectro. Além disso, a excitação em uma descarga elétrica permite realizar um modo contínuo de operação de lasers com alta eficiência de conversão de energia elétrica em energia de radiação de lasers (ver Laser de gás).

No mais poderoso L. de descarga de gás de ação contínua sobre uma mistura de gases moleculares CO2 e N2 (com a adição de vários outros componentes), o mecanismo para a formação da inversão populacional é o seguinte: os elétrons de um gás -descarga de plasma, acelerada por um campo elétrico, excita vibrações de moléculas de N2 durante colisões. Então, como resultado das colisões de moléculas excitadas de N2 com moléculas de CO2, um dos níveis vibracionais de CO2 é preenchido, o que garante a ocorrência de uma inversão populacional. Todas as etapas desse processo são muito eficientes, e a eficiência chega a 20-30%.

Posteriormente, foi possível criar um laser gás-dinâmico baseado em uma mistura de CO2 e N2, no qual a mistura gasosa é aquecida a uma temperatura de T ~ 2.000 K, forma-se um fluxo supersônico que, saindo do bocal, expande e assim esfria rapidamente. Como resultado do resfriamento rápido, ocorre uma inversão das populações dos níveis de trabalho de CO2 (ver Laser dinâmico de gás). A eficiência de conversão de energia térmica em radiação laser dinâmica de gás é baixa (~ 1%). No entanto, os L. gasodinâmicos são muito promissores, porque, em primeiro lugar, neste caso, a tarefa de criar L. de grande porte é facilitada. alto poder e, em segundo lugar, ao utilizar fontes de energia térmica, a questão da eficiência dos lasers é menos aguda do que no caso dos lasers de descarga elétrica.Ao queimar 1 g de combustível (por exemplo, querosene), energia da ordem de dezenas de milhares de J é liberado, enquanto a energia elétrica, armazenada nos capacitores que alimentam as lâmpadas de flash, é de cerca de 0,1 J por 1 cm3 do volume do capacitor.

Como as ligações químicas das moléculas são um dispositivo de armazenamento de energia exclusivamente intensivo em energia, é promissor usar diretamente a energia das ligações químicas para excitar partículas, ou seja, criação de um ambiente ativo L. como resultado de reações químicas. Um exemplo de bombeamento químico é a reação do hidrogênio ou deutério com flúor. Se em uma mistura de H2 e F2 k.-l. dissociar um pequeno número de moléculas F2, então ocorre uma reação em cadeia F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F, etc. As moléculas de HF formadas como resultado desta reação estão em um estado excitado e as condições de inversão populacional são satisfeitas para uma série de transições quânticas. Se CO2 for adicionado à mistura inicial, então, além de L. nas transições de HF (l ~ 3 μm), também é possível criar L. nas transições de CO2 (l = 10,6 μm). Aqui, as moléculas de HF vibracionalmente excitadas desempenham o mesmo papel que as moléculas de N2 nos lasers de CO2 com descarga de gás. Neste caso, uma mistura de D2, F2 e CO2 é mais eficaz. Nesta mistura, o fator de conversão energia química na energia da radiação coerente pode chegar a 15%. Os lasers químicos podem operar nos modos pulsado e contínuo; desenvolvido várias opções químico L., incluindo aqueles semelhantes ao L. gasodinâmico.

Descobriu-se que é possível criar um meio ativo em semicondutores de várias maneiras: 1) por injeção de portadores de corrente através de uma junção elétron-buraco; 2) excitação por impacto de elétrons; 3) excitação óptica.

O bombeamento é realizado, via de regra, de duas formas: óptica ou elétrica. Durante o bombeamento óptico, a radiação de uma poderosa fonte de luz é absorvida pelo meio ativo e, assim, transfere os átomos do meio ativo para o nível superior. Este método é particularmente adequado para lasers de estado sólido ou líquido. Mecanismos de ampliação de linha em sólidos e líquidos levam a um alargamento muito significativo das linhas espectrais, de modo que normalmente não se trata do bombeamento de níveis, mas do bombeamento de bandas de absorção. Estas bandas absorvem uma fração apreciável da luz emitida pela lâmpada da bomba. O bombeamento elétrico é realizado por meio de uma descarga elétrica suficientemente intensa e é especialmente útil para lasers de gás e semicondutores. Em particular, nos lasers a gás, devido ao fato de possuírem uma pequena largura espectral das linhas de absorção e as lâmpadas de bombeamento emitirem radiação de banda larga, é bastante difícil realizar o bombeamento óptico. O bombeamento óptico pode ser usado de forma muito eficaz para lasers semicondutores. O fato é que os semicondutores possuem uma forte banda de absorção. Porém, o uso de bombeamento elétrico neste caso acaba sendo mais conveniente, pois a corrente elétrica passa pelo semicondutor com muita facilidade.

Outro método de bombeamento é químico. Existem dois tipos dignos de nota de bombeamento químico: 1) uma reação associativa, que leva à formação de uma molécula AB em um estado vibracional excitado, e 2) uma reação dissociativa, que leva à formação de uma partícula B (átomo ou molécula) em um estado excitado.

Outra forma de bombear uma molécula de gás é a expansão supersônica de uma mistura de gases contendo uma determinada molécula (bombeamento gadodinâmico). Deve-se mencionar também formulário especial bombeamento óptico, quando um feixe de laser é usado para bombear outro laser (bombeamento de laser). As propriedades de um feixe de laser guiado tornam-no muito conveniente para bombear outro laser, e nenhum branqueador especial é necessário aqui, como no caso do bombeamento óptico (incoerente). Devido à monocromaticidade do laser bomba, sua aplicação não se limita a lasers de estado sólido e líquido, mas também pode ser utilizado para bombear lasers a gás. Neste caso, a linha emitida pelo laser bombeado deve coincidir com a linha de absorção do laser bombeado. Isso é usado, por exemplo, para bombear a maioria dos lasers infravermelhos distantes.

No caso do bombeamento óptico, a luz de uma lâmpada incoerente potente é transferida para um meio ativo por meio de um sistema óptico apropriado. Na fig. 1 mostra os três esquemas de bombeamento mais comumente usados. Nos três casos, o meio tem a forma de uma haste cilíndrica. Mostrado na fig. 1a a lâmpada tem a forma de uma espiral; neste caso, a luz entra no meio ativo diretamente ou após reflexão de uma superfície cilíndrica espelhada (número 1 na Fig. 1). Esta configuração foi usada para criar o primeiro laser de rubi e ainda é usada às vezes para lasers pulsados. na fig. 1b, a lâmpada tem a forma de um cilindro (lâmpada linear), cujo raio e comprimento são aproximadamente iguais aos da haste ativa. A lâmpada é colocada ao longo de um dos eixos focais F1 do cilindro elíptico refletor de espelho (1), e a haste do laser é colocada ao longo do outro eixo focal F2. A maior parte da luz emitida pela lâmpada é refletida do cilindro elíptico para a haste do laser. Na fig. 1c mostra um exemplo da chamada configuração compactada. A haste do laser e a lâmpada linear são colocadas o mais próximo possível uma da outra e firmemente rodeadas por um refletor cilíndrico (1). A eficiência de uma configuração compacta geralmente não é muito inferior à de um cilindro elíptico. Freqüentemente, em vez de refletores especulares nos esquemas da Fig. 1a e c, são usados ​​cilindros feitos de materiais difusamente refletivos. Também são utilizados tipos complexos de iluminadores, cujo design utiliza mais de um cilindro elíptico ou várias lâmpadas em uma configuração compacta.

Vamos definir a eficiência da bomba de um laser cw como a razão entre a potência mínima da bomba Pm necessária para criar uma certa velocidade da bomba e a potência da bomba elétrica P realmente fornecida à lâmpada. A potência mínima da bomba pode ser escrita como, onde V é o volume do meio ativo, vp é a diferença de frequência entre os níveis do laser principal e superior. A propagação da taxa de bombeamento ao longo da haste ativa é, em muitos casos, não homogênea. Portanto, é mais correto determinar a potência média mínima da bomba, onde a média é realizada sobre o volume do meio ativo. Por isso

Para um laser pulsado, por analogia, a eficiência média da bomba é

onde a integral de tempo é calculada do início ao fim do pulso da bomba e E é a energia elétrica fornecida à lâmpada.

O processo de bombeamento pode ser considerado como consistindo em 4 etapas diferentes: 1) emissão de radiação da lâmpada, 2) transferência desta radiação para a haste ativa, 3) sua absorção na haste e 4) transferência da energia absorvida para o nível superior do laser.

A partir da expressão (1) ou (!а) pode-se encontrar a taxa de bombeamento Wp:

O bombeamento elétrico é usado em lasers a gás e p/p. O bombeamento elétrico de um laser a gás é realizado pela passagem de uma corrente direta, de alta frequência (HF) ou pulsada através da mistura gasosa. De modo geral, a corrente através do gás pode fluir ao longo do eixo do laser (descarga longitudinal, Fig. 2a) ou através dele (descarga transversal, Fig. 2b). Em lasers de descarga longitudinal, os eletrodos são frequentemente em forma de anel e, para enfraquecer a degradação do material do cátodo devido à colisão com íons, a área da superfície do cátodo é muito maior do que a do ânodo. Em lasers com descarga transversal, os eletrodos se estendem por todo o comprimento do meio laser. Dependendo do tipo de laser, uma variedade de designs de eletrodos são usados. Esquemas com descarga longitudinal são geralmente usados ​​​​para lasers cw, enquanto uma descarga transversal é usada para bombear com correntes constantes, pulsadas e de RF. Como as dimensões transversais do laser são geralmente muito menores que as longitudinais, na mesma mistura de gases a tensão que deve ser aplicada no caso de uma configuração transversal é muito menor que a tensão para a configuração longitudinal. Porém, uma descarga longitudinal, quando ocorre em um tubo dielétrico (por exemplo, vidro) (Fig. 2a), permite obter uma distribuição da bomba mais uniforme e estável.

Numa descarga elétrica, formam-se íons e elétrons livres e, como adquirem energia adicional de um campo elétrico aplicado, podem excitar átomos neutros em uma colisão. Os íons positivos, devido à sua grande massa, são acelerados muito pior que os elétrons e, portanto, não desempenham um papel significativo no processo de excitação.

5.20. Ressonadores ópticos. Feixes de luz gaussianos.

EM estruturas abertas do tipo interferômetro Fabry-Perot, existem modos vibracionais característicos. Até o momento, é conhecido um grande número de modificações de ressonadores abertos, que diferem entre si na configuração e acordo mútuo espelhos. O mais simples e conveniente é o ressonador formado por dois refletores esféricos com curvatura igual, voltados um para o outro com superfícies côncavas e localizados a uma distância de um raio de curvatura igual ao raio das esferas entre si. A distância focal de um espelho esférico é igual à metade do raio de curvatura. Portanto, os focos dos refletores coincidem, por isso o ressonador é denominado confocal (Fig. 1). O interesse pelo ressonador confocal se deve à praticidade de seu ajuste, que dispensa o paralelismo dos refletores entre si. É apenas necessário que o eixo do ressonador confocal cruze cada refletor longe o suficiente da sua borda. Caso contrário, a perda por difração pode ser muito grande.

Consideremos o ressonador confocal com mais detalhes.

Deixe todas as dimensões do ressonador serem grandes em comparação com o comprimento de onda. Então, os modos do ressonador, a distribuição dos campos nele e as perdas por difração podem ser obtidos com base no princípio de Huygens-Fresnel, resolvendo a equação integral correspondente. Se os refletores do ressonador confocal têm uma seção quadrada com lado 2a, que é pequena comparada à distância entre os espelhos l, igual ao seu raio de curvatura R, e os números de Fresnel são grandes, então as funções próprias do Fox- e As equações integrais do tipo Lee são aproximadas pelos produtos dos polinômios de Hermite Hn(x) pela função gaussiana.

No sistema de coordenadas cartesianas, cuja origem está colocada no centro do ressonador e o eixo z coincide com o eixo do ressonador (Fig. 1), a distribuição do campo transversal é dada por

onde determina o tamanho da região da seção transversal, em cuja saída a intensidade do campo no ressonador, proporcional a S2, cai e vezes. Em outras palavras, esta é a largura da distribuição de intensidade.

Polinômios de Hermite de vários primeiros graus têm a forma:

As funções próprias da equação que fornece a distribuição transversal (1) correspondem às frequências próprias determinadas pela condição

Na fig. A Figura 2 apresenta graficamente as três primeiras funções de Hermite-Gauss para uma das coordenadas transversais, construídas pela fórmula (1) levando em consideração (2). Esses gráficos mostram claramente a natureza da mudança na distribuição transversal do campo com o aumento do índice transversal n.

As ressonâncias em um ressonador confocal ocorrem apenas para valores inteiros de. Espectro do modo R.R. é degenerado, aumentando m + n em duas unidades e diminuindo q em uma dá o mesmo valor de frequência. O modo principal é TEM00q, a distribuição transversal do campo é determinada por uma função gaussiana simples. A largura da distribuição de intensidade varia ao longo do eixo z de acordo com a lei

onde , e tem o significado do raio do feixe no plano focal do ressonador. O valor é determinado pelo comprimento do ressonador e é

Na superfície do espelho, a área do ponto do modo fundamental, como pode ser visto em (4) e (5), é duas vezes maior que a área da seção transversal do pescoço cáustico.

A solução (1) foi obtida para o campo dentro do ressonador. Mas quando um dos espelhos é parcialmente transparente, como é o caso dos ressonadores laser ativos, então a onda que sai é uma onda viajante com distribuição transversal (1).

Essencialmente, a extração do modo fundamental de um ressonador confocal ativo é uma forma de obter um feixe gaussiano de luz monocromática. Vamos considerá-los com mais detalhes.) largura , que corresponde à divergência angular

Como resultado, a maior parte da energia de disparo gaussiana está concentrada no ângulo sólido

Assim, a divergência da radiação laser no modo fundamental é determinada não pela transversal, mas pelo tamanho longitudinal do ressonador laser.

Essencialmente, a fórmula (8) descreve uma onda difratada resultante da autodifração de um gatilho gaussiano. O padrão de difração descrito por (8) é caracterizado por uma diminuição monotônica na intensidade ao se afastar da direção axial, ou seja, a completa ausência de quaisquer oscilações no brilho do padrão de difração, bem como uma rápida diminuição na intensidade das ondas nas asas de distribuição. Esta é a natureza da difração de um feixe gaussiano em qualquer abertura, desde que seu tamanho exceda suficientemente a largura da distribuição de intensidade do feixe.

Inversão de população

na física, um estado da matéria em que mais níveis altos as energias de suas partículas constituintes (átomos, moléculas, etc.) são mais "povoadas" por partículas do que as inferiores (ver nível de população). Em condições normais (em equilíbrio térmico), ocorre a relação inversa: níveis superiores localizado menos partículas do que nos inferiores (ver estatísticas de Boltzmann).

Grande enciclopédia soviética. - M.: Enciclopédia Soviética. 1969-1978 .

Veja o que é "Inversão Populacional" em outros dicionários:

- (do lat. inversio turn over, permutação), um estado de não equilíbrio em va, com krom para seus componentes h c (átomos, moléculas, etc.) a desigualdade é cumprida: N2 / g2> N1 / g1, onde N2 e N1 são as populações no topo. e inferior níveis de energia, g2 e g1 são ... ... Enciclopédia Física

Enciclopédia Moderna

Inversão de população- (do latim inversio turn over, permutação), um estado de desequilíbrio da matéria, no qual, ao contrário do estado habitual de equilíbrio térmico, o número de partículas (átomos, moléculas) que compõem a substância é maior. . ... Dicionário Enciclopédico Ilustrado

INVERSÃO DE POPULAÇÃO- estado de desequilíbrio da matéria, em que a população (concentração) de suas partículas constituintes (elétrons, átomos, moléculas, etc.) em níveis de energia excitados (superiores) é maior que a população do nível de equilíbrio (inferior); é essencial... Grande Enciclopédia Politécnica

Um estado de desequilíbrio da matéria, em que a população do superior de um par de níveis de energia de um tipo de átomos (íons, moléculas) que compõem a substância excede a população do inferior. A inversão populacional está subjacente à operação de lasers e ... ... dicionário enciclopédico

Um estado de desequilíbrio em va, no qual a população do nível superior de um par de níveis de energia de um tipo de átomos (íons, moléculas) incluídos na composição de va excede a população do nível inferior. Eu e. está subjacente à operação de lasers e outros dispositivos quânticos ... ... Ciência natural. dicionário enciclopédico

Um dos conceitos fundamentais da física e da mecânica estatística, utilizado para descrever os princípios de operação do laser. Conteúdo 1 Distribuição de Boltzmann e equilíbrio termodinâmico ... Wikipedia

A inversão da população de elétrons é um dos conceitos fundamentais da física e da mecânica estatística, utilizado para descrever os princípios de operação do laser. Conteúdo 1 Distribuição de Boltzmann e equilíbrio termodinâmico ... Wikipedia

A inversão da população de elétrons é um dos conceitos fundamentais da física e da mecânica estatística, utilizado para descrever os princípios de operação do laser. Conteúdo 1 Distribuição de Boltzmann e equilíbrio termodinâmico ... Wikipedia

Para aprender a amplificação da luz incidente é necessário de alguma forma inverter a população dos níveis. Aqueles. faça com que maior valor a energia correspondia a um número maior de átomos. Neste caso, diz-se que o agregado de átomos tem uma população de nível inverso (inverso).

A proporção do número de átomos nos níveis e é igual a:

No caso de inversão populacional. Segue-se que o expoente deve ser maior que zero -. Mas . Portanto, para que o expoente seja maior que zero, é necessário que a temperatura seja negativa - .

Portanto, um estado com uma população inversa de níveis é às vezes chamado de estado com temperatura negativa. Mas esta expressão é condicional, porque o próprio conceito de temperatura é aplicável a estados de equilíbrio, e um estado com população inversa é um estado de não-equilíbrio.

No caso de inversão populacional, a luz que passa pela matéria será amplificada. Formalmente, isto corresponde ao facto de o coeficiente de absorção na lei de Bouguer ser negativo. Aqueles. um conjunto de átomos com população de nível inverso pode ser considerado um meio com coeficiente de absorção negativo.

Ruby é um óxido de alumínio no qual alguns dos átomos de alumínio foram substituídos por átomos de cromo. Este rubi é irradiado com um amplo espectro de frequências de ondas eletromagnéticas. Neste caso, os íons de cromo passam para um estado excitado (ver Fig. 4). Os íons de alumínio não desempenham um papel significativo nesta questão.

O estado de energia é uma banda inteira, devido à interação dos íons com a rede cristalina. A partir do nível dos íons de cromo, dois caminhos são possíveis.

1. Retorne ao estado inicial com energia com emissão de um fóton.

2. Transição para um estado metaestável com energia por interação térmica com íons da rede cristalina de alumínio.

O tempo de vida no nível, como sempre, é igual ao tempo de vida no estado excitado - . Uma transição espontânea para um nível é indicada por uma seta, e uma transição para um nível metaestável é indicada por uma seta.

Cálculos e experimentos mostram que a probabilidade de transição é muito maior que a probabilidade de transição. Além disso, a transição de um estado metaestável com energia para o estado fundamental é proibida pelas regras de seleção (as regras de seleção não são absolutamente estritas, apenas indicam uma maior ou menor probabilidade de transição).

Portanto, o tempo de vida no nível metaestável é , que é 100.000 vezes maior que o tempo de vida no nível .

Assim, com bastante grandes númerosátomos de cromo, pode ocorrer uma população inversa do nível - o número de átomos no nível excederá o número de átomos no nível , ou seja, podemos conseguir o que queremos.

A transição espontânea do nível para o nível principal é indicada pela seta. O fóton resultante desta transição pode causar emissão estimulada o próximo fóton, indicado pela seta. Este e assim por diante. Aqueles. uma cascata de fótons é formada.

Consideremos agora o dispositivo técnico do laser de rubi.

É uma haste com diâmetro da ordem e comprimento de . As extremidades da haste são estritamente paralelas entre si e cuidadosamente polidas. Uma extremidade é um espelho perfeito, a outra é um espelho translúcido que transmite energia próxima à incidente.

Ao redor da haste de rubi, várias voltas de uma lâmpada de bomba são instaladas - uma lâmpada de xenônio operando em modo pulsado.

Assim, fótons estimulados foram formados no corpo da haste. Aqueles fótons cuja direção de propagação forma pequenos ângulos com o eixo da haste passarão repetidamente pela haste e causarão emissão estimulada de átomos de cromo metaestáveis. Os fótons secundários terão a mesma direção que os primários, ou seja, ao longo do eixo da haste. Os fótons vindos da outra direção não desenvolverão uma cascata significativa e ficarão fora do jogo. Com intensidade de feixe suficiente, parte dele sai.

Os lasers Ruby operam em modo pulsado com uma taxa de repetição de vários pulsos por minuto. Além disso, uma grande quantidade de calor é liberada em seu interior, por isso devem ser resfriados intensamente.

Consideremos agora a operação de um laser de gás, em particular um laser de hélio-néon.

Consiste em um tubo de quartzo contendo uma mistura de gases hélio e néon. O hélio está sob pressão e o néon está sob pressão, com cerca de 10 vezes mais átomos de hélio do que átomos de néon. Os principais átomos radiantes aqui são átomos de néon, e os átomos de hélio desempenham um papel auxiliar na criação de uma população inversa de átomos de néon.

O bombeamento de energia neste laser é realizado devido à energia da descarga luminosa. Neste caso, os átomos de hélio são excitados e passam para um estado excitado (ver Fig. 5). Este estado para átomos de hélio é metaestável, ou seja, a transição óptica reversa é proibida pelas regras de seleção. Portanto, os átomos de hélio podem entrar em um estado não excitado, transferindo energia para os átomos de néon durante as colisões. Como resultado, os átomos de néon entram em um estado excitado, próximo ao estado do hélio. Os átomos de néon são excitados tanto pela energia da descarga luminosa quanto pelas colisões com átomos de hélio.

Além disso, o nível é descarregado selecionando tais dimensões do tubo que os átomos de néon, estando no nível , transfeririam energia para eles durante as colisões com as paredes, passando para o nível principal.

Como resultado desses processos, ocorre uma população de nível inverso para o néon. É possível passar de nível para nível.

O principal elemento estrutural deste laser é um tubo de descarga de gás de quartzo com diâmetro de cerca de . Ele contém eletrodos para criar uma descarga elétrica. Nas extremidades do tubo existem espelhos planos paralelos, um dos quais, o frontal, é translúcido. As condições para amplificação surgem apenas para os fótons que voam paralelamente ao eixo do laser.

A frequência operacional do laser é a transição. As regras de seleção permitem cerca de trinta transições. Para destacar uma frequência, os espelhos são multicamadas, sintonizados para refletir apenas uma onda específica. Os lasers que emitem comprimentos de onda são generalizados. Mas o mais intenso é a transição com o comprimento de onda, ou seja, na região infravermelha do espectro.

Os lasers a gás operam continuamente e não requerem resfriamento intensivo.

Características distintas radiação laser são.

1. Coerência temporal e espacial.

2. Monocromaticidade estrita.

3. Grande poder

4. Estreiteza do feixe de laser.

Aula 15. (2 horas)

Passagem da radiação pela matéria. População inversa de níveis. Considere novamente um meio de dois níveis com níveis de energia E . Se a radiação monocromática incide neste meio com uma frequência

então quando ele se propaga a uma distância dx a mudança na densidade de energia espectral estará associada tanto à absorção ressonante quanto à emissão induzida (forçada) de átomos no sistema. Devido à emissão estimulada, a densidade de energia espectral no feixe aumenta, e esse aumento de energia deve ser proporcional a:

.

Aqui está o fator de proporcionalidade dimensional.

Da mesma forma, devido aos processos de absorção de fótons, a densidade de energia espectral no feixe diminui:

.

dobrando E , encontre a mudança total densidade de energia:

Dada a igualdade dos coeficientes de Einstein e introduzindo o coeficiente de absorção a, escrevemos esta equação na forma

A solução desta equação diferencial tem a forma

Esta fórmula fornece a densidade de energia espectral você em um feixe de fótons quando eles passam através de uma camada de matéria com espessura x, onde corresponde ao ponto x = 0 .

Em condições equilíbrio termodinâmico, de acordo com a distribuição de Boltzmann, , portanto, o coeficiente de absorção a é positivo () :

Assim, a densidade de energia da radiação, como pode ser visto em (6.18), diminui à medida que passa pela substância, ou seja, a luz é absorvida. No entanto, se criarmos um sistema no qual , então o coeficiente de absorção se tornará negativo e não haverá enfraquecimento, mas aumento de intensidade Luz. O estado do ambiente em que é chamado estado com população de nível inverso, e o próprio ambiente é então chamado meio ativo. A população inversa de níveis contradiz a distribuição de equilíbrio de Boltzmann e pode ser criada artificialmente se o sistema for retirado do equilíbrio termodinâmico.

Isso cria a possibilidade fundamental de amplificar e gerar radiação óptica coerente e é utilizado na prática no desenvolvimento de fontes dessa radiação - os lasers.

O princípio de funcionamento do laser. A criação de um laser tornou-se possível após a descoberta de métodos para implementar a população inversa de níveis em determinadas substâncias (meios ativos). O primeiro gerador prático na região visível do espectro foi criado em (EUA por Maiman (1960)) baseado em rubi. Ruby é uma rede cristalina contendo um pequeno ( 0,03 % – 0,05 % ) mistura de íons de cromo (). Na fig. 6.1 mostra um diagrama dos níveis de energia do cromo ( ambiente de três camadas). Nível amplo usado para excitar íons de cromo com a luz de uma poderosa lâmpada de descarga de gás com uma ampla faixa de frequência na região verde-azul da luz visível - lâmpadas de bomba. A excitação de íons de cromo devido à energia da bomba de uma fonte externa é mostrada por uma seta .

Arroz. 6.1. Esquema de um meio ativo de três níveis (rubi)

Os elétrons do nível de vida curta fazem uma rápida ( c) transição não radiativa para o nível (representado pela seta azul) . A energia liberada neste caso não é emitida na forma de fótons, mas é transferida para o cristal de rubi. Nesse caso, o rubi é aquecido, então o design do laser prevê seu resfriamento.

Vida útil de um nível estreito de longa duração é c, ou seja, 5 ordens de grandeza maiores que o nível da banda larga . Com potência de bomba suficiente, o número de elétrons em um nível (é chamado metaestável) torna-se mais do que nivelado , isto é, uma população inversa é criada entre os níveis "de trabalho" e .

Um fóton emitido durante uma transição espontânea entre esses níveis (representado por uma seta tracejada) induz a emissão de fótons adicionais (forçados) - (a transição é mostrada por uma seta), que por sua vez causa induzido radiação de toda uma cascata de fótons com comprimento de onda .

Exemplo 1 Vamos determinar a população relativa de níveis de trabalho em um cristal de rubi em temperatura do quarto sob condições de equilíbrio termodinâmico.

Com base no comprimento de onda emitido pelo laser de rubi, encontramos a diferença de energia:

.

À temperatura ambiente T = 300 K Nós temos:

Da distribuição de Boltzmann segue-se agora

.

A realização de um meio ativo com uma população de nível inverso é apenas metade da batalha. Para que o laser funcione, também é necessário criar condições de geração de luz, ou seja, utilizar feedback positivo. O próprio meio ativo só pode amplificar a radiação transmitida. Para implementar o regime de geração é necessário amplificar a emissão estimulada, o que compensaria todas as perdas no sistema. Para isso, a substância ativa é colocada em ressonador óptico, formado, via de regra, por dois espelhos paralelos, um dos quais é semitransparente e serve para emitir radiação do ressonador. Estruturalmente, os primeiros lasers de rubi usavam cristais cilíndricos com comprimento 40mm e diâmetro 5mm. As extremidades foram polidas paralelamente entre si e serviram como espelhos ressonadores. Uma das pontas era prateada para que o coeficiente de reflexão ficasse próximo da unidade, e a outra ponta era translúcida, ou seja, tinha coeficiente de reflexão menor que a unidade, e servia para emitir radiação do ressonador. A fonte de excitação era uma poderosa lâmpada de xenônio pulsada enrolada em torno do rubi. O dispositivo laser rubi é mostrado esquematicamente na fig. 6.2.

Arroz. 6.2. Dispositivo laser rubi: 1- bastão de rubi; 2- lâmpada de descarga de impulso; 3- espelho translúcido; 4- espelho; 5- emissão estimulada

Com potência suficiente da lâmpada da bomba, a maioria (cerca de metade) dos íons de cromo são transferidos para um estado excitado. Após a inversão populacional ser atingida para os níveis de trabalho com a energia E , os primeiros fótons emitidos espontaneamente correspondentes à transição entre esses níveis não possuem direção preferencial de propagação e causam emissão estimulada, que também se propaga em todas as direções em um cristal de rubi. Lembre-se de que os fótons gerados pela emissão estimulada voam na mesma direção que os fótons incidentes. Os fótons cujas direções de movimento formam pequenos ângulos com o eixo da haste cristalina experimentam múltiplas reflexões em suas extremidades. Os fótons que se propagam em outras direções saem do cristal de rubi através de sua superfície lateral e não participam da formação da radiação emitida. Então, no ressonador é gerado feixe estreito luz, e a passagem múltipla de fótons pelo meio ativo induz a emissão de cada vez mais fótons, aumentando a intensidade do feixe de saída.

A geração de radiação luminosa por um laser de rubi é mostrada na fig. 6.3.

Arroz. 6.3. Geração de laser Ruby

Assim, o ressonador óptico desempenha duas funções: em primeiro lugar, cria um feedback positivo e, em segundo lugar, forma um feixe de radiação estreito e direcionado com uma determinada estrutura espacial.

No esquema de três níveis considerado, para criar uma população inversa entre os níveis de trabalho, é necessário excitar uma fração suficientemente grande de átomos, o que requer um gasto significativo de energia. Mais eficiente é esquema de quatro níveis, que é aplicado em lasers de estado sólido, por exemplo, usando íons de neodímio. No laser de gás mais comum em átomos neutros - hélio- laser néon - as condições para a geração de acordo com o esquema de quatro níveis também são atendidas. O meio ativo nesse tipo de laser é uma mistura de gases inertes - hélio e néon com energia do estado fundamental (que tomamos como o nível zero). O bombeamento é realizado no processo de descarga elétrica de gás, devido ao qual os átomos passam para um estado excitado com energia . Nível em átomos de néon (Fig. 6.4) está próximo do nível no hélio, e na colisão de átomos de hélio com átomos de néon, a energia de excitação pode ser efetivamente transferida para estes últimos sem radiação.

Arroz. 6.4. Ele esquema de nível- Não-laser

Assim, o nível neon acaba sendo mais populoso do que o nível inferior . A transição entre esses níveis de trabalho é acompanhada por radiação com comprimento de onda 632,8nm, que é o principal na indústria Não-Ne-lasers. No nível os átomos de néon não permanecem por muito tempo, retornando rapidamente ao estado fundamental. Observe que o nível em neon é extremamente pouco povoado e, portanto, para criar uma população inversa entre E é necessário excitar um pequeno número de átomos de hélio. Isto requer muito menos energia tanto para bombear como para resfriar a configuração, o que é típico para um esquema de geração de quatro níveis. Outros níveis de néon (não mostrados na Fig. 6.4) também podem ser usados ​​para geração de laser, fornecendo radiação tanto na faixa visível quanto na faixa infravermelha, e o hélio é usado apenas para o processo de bombeamento.

Exemplo 2 Vamos encontrar a população de equilíbrio relativo do nível em néon à temperatura ambiente.

Este problema difere do anterior apenas em valores numéricos. Para variar, faremos cálculos em elétron-volts. Vamos primeiro expressar a constante de Boltzmann nestas unidades:

então à temperatura ambiente

.

Agora podemos encontrar facilmente

Do ponto de vista prático, um número tão pequeno não difere de zero, portanto, mesmo com bombeamento fraco, cria-se uma população inversa entre os níveis E .

A radiação dos lasers é caracterizada por características:

alta coerência temporal e espacial (monocromaticidade da radiação e divergência do feixe baixo);

alta intensidade espectral.

As características da radiação dependem do tipo de laser e do modo de operação, porém, algumas próximas Valor limite parâmetros:

Pulsos de laser curtos (picossegundos) são indispensáveis ​​para estudar processos rápidos. Uma potência de pico extremamente alta (até vários GW) pode se desenvolver no pulso, que é igual à potência de várias unidades NPP de um milhão de kW cada. Neste caso, a radiação pode estar concentrada em um cone estreito. Tais feixes permitem, por exemplo, “soldar” a retina ao fundo.

Tipos de lasers. No âmbito do curso de física geral, não podemos nos deter em detalhes sobre as características específicas e aplicações técnicas laser Vários tipos devido à sua extrema diversidade. Limitando-nos apenas o suficiente visão geral tipos de lasers que diferem nas características do meio ativo e nos métodos de bombeamento.

lasers de estado sólido. Geralmente eles são pulsados, o primeiro laser desse tipo foi o laser de rubi descrito acima. Lasers populares em vidro com neodímio como substância de trabalho. Eles geram luz com um comprimento de onda de cerca de 1,06 µm, possuem grandes dimensões e potência de pico de até TW. Pode ser usado para experimentos de fusão termonuclear controlada. Um exemplo é o enorme laser Shiva no Laboratório Livermore, nos EUA.

Lasers de granada de neodímio, ítrio e alumínio (Nd:YAG) são muito comuns, emitindo na faixa IR em um comprimento de onda mícron. Eles podem operar tanto no modo de geração contínua quanto no modo pulsado, com uma taxa de repetição de pulso de até vários kHz (para comparação: um laser de rubi tem 1 pulso a cada poucos minutos). Eles têm uma ampla gama de aplicações em tecnologia eletrônica (tecnologia laser), localização óptica, medicina, etc.

lasers de gás. Geralmente são lasers contínuos. Eles diferem na estrutura espacial correta da viga. Exemplo: laser HeNe gerando luz em comprimentos de onda 0,63 , 1,15 E 3,39 µm e tendo uma potência da ordem de mW. Amplamente utilizado em engenharia - laser com potência da ordem de kW e comprimentos de onda 9,6 E 10,6 µm. Um dos métodos de bombeamento de lasers de gás é uma descarga elétrica. Uma variedade de lasers com meio gasoso ativo são os lasers químicos e excimer.

lasers químicos. A inversão populacional é criada no processo reação química entre dois gases, como hidrogênio (deutério) e flúor. Baseado em reações exotérmicas

.

moléculas AF já nascem com excitação de oscilações, o que cria imediatamente uma população inversa. A mistura de trabalho resultante passa em velocidade supersônica por um ressonador óptico, no qual parte da energia acumulada é liberada na forma de radiação eletromagnética. Usando um sistema de espelhos ressonadores, esta radiação é focada em um feixe estreito. Esses lasers emitem alta energia (mais de 2kJ), a duração do pulso é de cerca de 30 segundos, ligue até ter. A eficiência (química) atinge 10 % , embora geralmente seja frações de um percentual para outros tipos de lasers. Comprimento de onda gerado - 2,8 µm(3,8 µm para lasers em D. F.).

Dos numerosos tipos de lasers químicos, os lasers de fluoreto de hidrogênio (deutério) foram reconhecidos como os mais promissores. Problemas: A radiação dos lasers de fluoreto de hidrogênio com comprimento de onda especificado é ativamente espalhada pelas moléculas de água, que estão sempre presentes na atmosfera. Isso reduz bastante o brilho da radiação. O laser de fluoreto de deutério opera em um comprimento de onda em que a atmosfera é praticamente transparente. No entanto, a liberação específica de energia desses lasers é uma vez e meia menor que a dos lasers baseados em AF. Isso significa que ao usá-los no espaço, você terá que produzir muito grande quantidade combustível químico.

lasers excímeros. Moléculas de excímero são moléculas diatômicas (por exemplo), que só podem estar em um estado excitado - seu estado não excitado acaba sendo instável. Esta é a principal característica dos lasers excimer: o estado fundamental das moléculas excimer não é preenchido, ou seja, o nível inferior do laser de trabalho está sempre vazio. O bombeamento é realizado por um feixe de elétrons pulsado, que transfere uma parte significativa dos átomos para um estado excitado, no qual são combinados em moléculas de excímeros.

Como a transição entre os níveis de operação é em banda larga, é possível sintonizar a frequência de geração. O laser não produz radiação sintonizável na região UV ( nm) e tem alta eficiência ( 20 % ) conversão de energia. Atualmente, os lasers excimer com comprimento de onda 193nm usado em cirurgia oftálmica para evaporação superficial (ablação) da córnea.

lasers líquidos. A substância ativa no estado líquido é uniforme e pode circular para resfriamento, o que é uma vantagem em relação aos lasers de estado sólido. Isto permite obter altas energias e potências nos modos pulsado e contínuo. Os primeiros lasers líquidos (1964–1965) usaram compostos de terras raras. Eles foram substituídos por lasers baseados em soluções de corantes orgânicos.

Esses lasers geralmente usam bombeamento óptico de radiação de outros lasers na faixa visível ou UV. Uma propriedade interessante dos lasers de corante é a possibilidade de sintonizar a frequência de geração. Ao selecionar um corante, é possível obter geração em qualquer comprimento de onda desde a faixa do IR próximo até a faixa do UV próximo. Isto se deve ao amplo espectro rotacional vibracional contínuo das moléculas líquidas.

lasers semicondutores. Os lasers de estado sólido baseados em materiais semicondutores se destacam em uma classe separada. O bombeamento é realizado por bombardeio por feixe de elétrons, poderosa irradiação a laser, mas mais frequentemente por métodos eletrônicos. Os lasers semicondutores usam transições não entre níveis de energia discretos de átomos ou moléculas individuais, mas entre bandas de energia permitidas, ou seja, conjuntos de níveis estreitamente espaçados (as bandas de energia nos cristais são discutidas com mais detalhes nas seções subsequentes). O uso de diversos materiais semicondutores permite obter radiação em comprimentos de onda de 0,7 antes 1,6 µm. As dimensões do elemento ativo são extremamente pequenas: o comprimento do ressonador pode ser menor que 1mm.

Potência típica da ordem de vários kW, duração do pulso aprox. 3 ns, a eficiência atinge 50 % , são amplamente utilizados (fibra óptica, comunicações). Pode ser usado para projetar uma imagem de TV em uma tela grande.

Lasers de elétrons livres. Um feixe de elétrons de alta energia passa por um "pente magnético" - um campo magnético espacialmente periódico que força os elétrons a oscilar em uma determinada frequência. O dispositivo correspondente - um ondulador - é uma série de ímãs localizados entre as seções do acelerador, de modo que os elétrons relativísticos se movem ao longo do eixo do ondulador e oscilam transversalmente a ele, emitindo uma onda eletromagnética primária ("espontânea"). Em um ressonador aberto, para onde os elétrons vão em seguida, o espontâneo onda eletromagnéticaé amplificado, criando radiação laser direcional coerente. Característica principal lasers de elétrons livres reside na possibilidade de ajuste suave da frequência de geração (da faixa visível à faixa IR) alterando a energia cinética dos elétrons. A eficiência desses lasers é 1 % em potência média até 4W. Com o uso de dispositivos para retorno de elétrons ao ressonador, a eficiência pode ser aumentada para 20–40 % .

Laser de raios X Com bombeamento nuclear. Este é o laser mais exótico. Esquematicamente, trata-se de uma ogiva nuclear, em cuja superfície estão fixadas até 50 hastes metálicas, orientadas em diferentes direções. As hastes têm dois graus de liberdade e, assim como os canos das armas, podem ser direcionadas para qualquer ponto do espaço. Ao longo do eixo de cada haste há um fio fino feito de um material de alta densidade (da ordem da densidade do ouro) - o meio ativo. A fonte de energia do bombeamento do laser é uma explosão nuclear. Durante a explosão, a substância ativa passa para o estado plasmático. Resfriando instantaneamente, o plasma emite radiação coerente na faixa dos raios X suaves. Devido à alta concentração de energia, a radiação, ao atingir o alvo, leva à evaporação explosiva da substância, à formação de uma onda de choque e à destruição do alvo.

Assim, o princípio de funcionamento e a estrutura do laser de raios X tornam evidente o escopo de sua aplicação. O laser descrito não inclui espelhos ressonadores, que não podem ser utilizados na faixa de raios X.

Alguns tipos de lasers são mostrados na figura abaixo.

Alguns tipos de lasers: 1- laser de laboratório; 2- laser contínuo ligado;
3 - laser tecnológico para perfuração; 4- poderoso laser tecnológico