Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» (УрФУ) Институт физико-технологический Кафедра электрофизики РЕФЕРАТ по дисциплине: «Квантовая и оптическая электроника» на тему: «Методы накачки лазеров» Студент: Фаренбрух С.А. Группа: Фт-400010 Преподаватель: Лисенков В.В. Екатеринбург 2024 Содержание Введение ........................................................................................................................ 3 1 Физика процесса накачки лазера. ............................................................................ 5 2 Виды накачки лазеров .............................................................................................. 7 2.1 Оптическая накачка ............................................................................................... 7 2.2 Химическая накачка .............................................................................................. 8 2.3 Ядерная накачка .................................................................................................... 9 2.4 Газодинамическая накачка ................................................................................... 9 2.5 Электрическая накачка ....................................................................................... 10 Заключение .................................................................................................................. 11 Список используемой литературы......................................................................... 12 2 Введение Лазер — устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней [1]. Накачка лазера — это акт передачи энергии от внешнего источника в усиливающую среду лазера. Энергия поглощается средой, создавая возбужденные состояния в ее атомах. Когда количество частиц в одном возбужденном состоянии превышает количество частиц в основном состоянии или менее населенности. В возбужденном этом механизм стимулированного состоянии, состоянии излучения, и достигается инверсия может среда иметь может место действовать как лазер или оптический усилитель. Мощность накачки должна быть выше порога генерации лазера. Энергия накачки обычно обеспечивается в виде света или электрического тока, но используются более экзотические источники, такие как химические или ядерные реакции [2]. Актуальность изучения методов накачки лазеров заключается в том, что лазеры имеют широкое применение практически во всех областях науки и техники: медицине, промышленности, военном деле, научных исследований, связи. Существует множество методов накачки лазеров, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки и для каждого конкретного применения лазера необходимо выбрать оптимальный метод накачки. Целью данной работы является исследование различных методов накачки лазеров. При этом существенно важным является решение следующих задач: - описать существующие на сегодняшний день различные методы накачки лазеров; - объяснить физические принципы, лежащие в основе каждого метода ; 3 - проанализировать преимущества и недостатки данных методов. Методы исследования: изучение рассматриваемой теме. 4 специальной литературы по 1 Физика процесса накачки лазера. Накачка лазера — это процесс при котором атомы перекачиваются с нижнего уровня на верхний. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбужденное состояние[1,2]. Когда число атомов в возбужденном состоянии превышает количество атомов в основном состоянии возникает инверсия населенности. В состоянии возбуждения атом может находиться недолго, почти сразу происходит безызлучательный переход на другой уровень на котором атом может находиться значительно дольше, данный уровень является метастабильным.. Схемы накачки лазера представлены на рисунке 1. Рисунок 1. а) трёхуровневая б) четырехуровневая системы накачки активной среды лазера Классическая используется трёхуровневая в система рубиновом накачки рабочей среды лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), 5 почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться называемый метастабильный значительно дольше уровень. (до Возникает 10 −3 с), это так возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии, становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации[2]. Создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации. В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения происходит на ионах неодима, используется четырёхуровневая схема накачки. Генерация излучения происходит на ионах неодима Nd3+. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (ηквантовое = hνизлучения/hνнакачки)[3,4]. 6 2 Виды накачки лазеров 2.1 Оптическая накачка Оптическая накачка лазера подразумевает наличие источника света, оптической системы для концентрации этого света на рабочем теле лазера и собственно рабочего тела лазера. При оптической накачке используется непрерывный или импульсный свет, излучаемый мощной лампой или лазерным лучом. Оптическая накачка может быть реализована с помощью света от мощных некогерентных источников. Некогерентный свет поглощается активной средой так, что атомы накачиваются до верхнего лазерного уровня. Этот метод особенно подходит для твердотельных или жидкостных лазеров, чьи полосы поглощения достаточно широки чтобы поглотить достаточную энергию от широкополосных падающих источников некогерентного света [1]. В качестве источника света обычно применяют: электролампы с высоким КПД (дуговые, газоразрядные эксилампы); полупроводниковые источники света (светодиоды или другие лазеры); солнечный свет. Вид установки твёрдого твердотельного лазера с конечной накачкой представлен на рисунке 2. Рисунок 2. Установка твердотельного лазера с конечной накачкой 7 Таким образом, лазеры с длиной волны света в пределах полос поглощения активной среды используются для накачки. Поскольку полоса пропускания лазерного света очень узкая, эффективность накачки может быть очень высокой. Лазерная накачка не ограничивается твердотельными лазерами, она также может использоваться для жидкостных и газовых лазеров. 2.2 Химическая накачка Лазеры с использованием энергии химической реакции — это разновидность газовых лазеров, через рабочую зону которых непрерывно прокачивают газообразные реагенты. При химической реакции между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии, переходящие в основное состояние с испусканием фотона. Схема боковой химической какачки лазера представлена на рисунке 3. При химической накачке инверсия населенности происходит непосредственно в результате экзотермической химической реакции. Химическая накачка обычно применяется к материалам в газовой фазе и требует высокореактивных и взрывоопасных газовых смесей. Экзотермическая реакция обычно генерирует большое количество энергии, и если часть этой энергии перевести в энергию лазера, можно получить импульсы высокой мощности и высокой энергии для лазеров. Рисунок 3. Боковая накачка лазера 8 Химическая реакция используется в качестве источника энергии в химических лазерах. Это позволяет добиться очень высокой выходной мощности, которую трудно достичь другими способами. Газовые лазеры могут давать большие мощности излучения при относительно компактных размерах. Одна из проблем газовых лазеров — плохая экологичность вследствие обильного токсичного выхлопа. 2.3 Ядерная накачка Ядерная накачка - это способ накачки лазера с помощью энергии ядерного взрыва и преобразования веществ в плазму. Любое вещество в эпицентре взрыва преобразуется в плазму в которой постепенно охлаждаются и формируются атомы. Между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии. Если заранее сделать из исходного вещества длинный стержень, то в направлении вдоль оси могут образоваться условия для возникновения вынужденного излучения. Они генерируются при переходе атомов в основное состояние. Такой лазер является импульсным и одноразовым. Огромная энергия задает диапазон рентгеновского излучения. Ядерное деление используется накачкой (NPL), напрямую в экзотических лазерах используя энергию быстрых с ядерной нейтронов, высвобождаемых в ядерном реакторе [2]. 2.4 Газодинамическая накачка Газодинамический лазер представлен на рисунке 4. Он представляет собой сопло, через которое со сверхзвуковой скоростью (до 4 Махов) выходит газ, нагретый до 1 500 градусов Цельсия. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения. В результате мгновенного расширения и адиабатического охлаждения газа большое количество молекул в нем остается в возбужденном состоянии. Затем происходит переход рабочего тела в 9 структуру. Подобно газовым лазерам возбужденные молекулы переходят в основное состояние, принимая участие в стимулированном излучении. Рисунок 4. Газодинамический лазер. Зачастую конструкция такого лазера базируется на авиационных турбореактивных и ракетных двигателях [2,3]. 2.5 Электрическая накачка Электрический тлеющий разряд распространен в газовых лазерах. Например, в гелий-неоновом лазере электроны из разряда сталкиваются с атомами гелия, возбуждая их. Затем возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, передавая энергию. Это позволяет наращивать инверсную населенность атомов неона [5]. Электрический ток обычно используется для накачки лазерных диодов и лазеров на кристаллах полупроводников (например, германия), электронных лучей накачки лазеров некоторых эксимерные лазеры. 10 на свободных электронах и Заключение Лазер – один из мощнейших инструментов сегодняшней науки. Они охватывают многие сферы применения, а именно: промышленность, медицина, информационные технологии, наука. В данной работе были рассмотрены основные методы накачки лазеров. Каждый метод накачки имеет свои преимущества и недостатки: Оптическая накачка: универсальный метод, но имеет ограниченную мощность. Электрическая накачка: высокая мощность, но низкий КПД. Газодинамическая накачка: высокая мощность, но сложная конструкция лазера. Химическая накачка: высокая мощность, но ограниченное время работы лазера. Ядерная накачка: высокая мощность, но опасность использования. Выбор метода накачки лазера зависит от его назначения: Развитие методов накачки лазеров является одним из важнейших направлений развития лазерной техники. В будущем можно ожидать появления новых, более эффективных и безопасных методов накачки лазеров. 11 Список используемой литературы 1. Звелто О. Принципы лазеров / О. Звелто. – М.: Лань, 2008. – 560 с. 2. Koechner W. Solid – State Laser Engineering / W. Koechner. – М.: Springer, 2006. – p.747 3. А. Н. Ораевский. Лазер // под. ред. М. Е. Жаботинского Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1969. — С. 89—118. 4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 2-е. — М.: Наука, 1985. — Т. IV. Оптика. — С. 714-721. — 735 с. 5. A.M. Razhev, V.M. Mekhitarian, D.S. Churkin, and A.A. Zhupikov. Gas lasers excited by a pulsed inductive discharge, Proc. SPIE 6611, Laser Optics 2006: High-Power Gas Lasers, 66110G (12 April 2007) 12
