Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
работать и непрерывно, так как его теплопроводность достаточно высока (на
порядок выше, чем у стекла).
Рассмотрим один из газовых лазеров - лазер на смеси атомов гелия и неона.
Такие лазеры хорошо освоены и выпускаются промышленностью. Рабочими
переходами в гелий-неоновых лазерах являются переходы в Ne. Для накачки
используется газовый разряд (возбуждение электронным ударом). При разряде
в основном возбуждаются атомы гелия (их число на порядок превосходит
число атомов неона). Один из двух его 15-электронов переходит в 25-
состояние (рис. 99). В зависимо-
1 Лазеры на кристаллах Y3AI5O12, активированные ионами Nd3+, в литературе
по квантовой электронике сокращенно обозначаются Nd : YAG.
§49. Устройство оптических квантовых генераторов
255
сти от направления спина возбужденного электрона атом оказывается в 21S-
или 235-состоянии. Оба эти состояния метастабильны.
В атоме неона имеются шесть 2р-электронов, которые вместе с двумя 25-
электронами образуют замкнутый L-слой. При соударении атомов неона с
возбужденными атомами гелия один из 2р-электронов неона переходит в
возбужденное состояние (с наибольшей вероятностью - в состояние As или
55, так как энергия этих состояний близка к энергиям 21S и 23S в
возбужденных атомах гелия); возбужденные состояния атомов неона
изображены прямоугольниками, чтобы отметить их сложную структуру: они
содержат большое число подуровней.
На рис. 99 сплошными линиями обозначены переходы, использующиеся в Не -
Ne-лазерах. Эти переходы приводят к испусканию инфракрасного излучения с
длинами волн 1,15 мкм (4S -> 3Р) и 3,39 мкм (55 -> 4Р) и красного
излучения с А = 0, 63 мкм (55 -> 3Р). В зависимости от длины оптического
резонатора и устройства его зеркал удается выделить тот или другой
переход. В трубке длиной около 1 м с диаметром 0,5 см можно получить
красное излучение мощностью 0,1 Вт.
Пучки света, испускаемые оптическими квантовыми генераторами, нередко
сами собой оказываются поляризованными. Поляризацией пучка можно
управлять, меняя условия прохождения света для волн с разной
поляризацией. Торцы газоразрядных трубок, содержащих гелий-нео-новую
смесь, обычно изготовляют из плоскопараллельных пластинок, расположенных
под углом Брюстера к оси трубки. Зеркала располагают вне трубки (рис.
100). При этом условия генерации оказываются выполненными только для
плоскополяризованного света с направлением электрического вектора,
которое соответствует минимальным потерям на отражение от пластинок.
В последние годы все более широкое распространение получают импульсные
лазеры на углекислом газе (СО2). С их помощью удается получать световые
пучки, обладающие не только большой мощностью в импульсе, но и
значительной средней мощностью. Такие пучки представляют большую ценность
для промышленных и научных применений.
Не 2 lS
А
23S
IS
Ne
$S № л D I------4P
3 S / 1----1
[2Sf
Рис. 99. Схема уровней гелия и неона.
256
Глава 10
3%F
Рис. 100. Схема гелий-неонового лазера: 1 - стеклянная трубка,
наполненная смесью Не и Ne, 2 - электроды, служащие для поддержания
разряда, 3 - плоскопараллельные пластинки, 4 - зеркала (одно из зеркал -
полупрозрачное).
Твердотельные лазеры (рубин, неодимовое стекло) не позволяют получать
большие средние мощности из-за перегрева, приводящего к разъ-юстировке
установки и к порче рабочего кристалла. Газовые лазеры перегреть труднее.
При необходимости газовая смесь прокачивается через лазер, охлаждается
или заменяется.
Для генерации лазерного излучения в С02-лазерах используются переходы
между колебательными уровнями молекул углекислого газа с А = 10,6 мкм и с
А = 9,6 мкм (далекая инфракрасная область). Для возбуждения молекул
используется газовый разряд, происходящий в смеси, содержащей С02, N2 и
Не.
На рис. 101 приведена схема расположения нижних колебательных уровней
молекул СО2 и N2. Колебательные уровни изображены не линиями, а
прямоугольниками, напоминающими, что каждый из них на самом деле
представляет собой полосу, состоящую из большого количества близких
вращательных уровней.
Рис. 101. Схема расположения нижних уровней в молекулах СО2 и N2.
§49. Устройство оптических квантовых генераторов 257
У двухатомной молекулы азота имеется всего одна колебательная степень
свободы и соответственно одна система эквидистантных колебательных
уровней. На рисунке изображены два уровня этой системы - основной и
первый возбужденный.
Молекула СО2 состоит из трех атомов. Она имеет четыре колебательные
степени свободы, две из которых совпадают по энергии. Колебательный
спектр этой молекулы очень богат линиями. На рисунке изображен основной
уровень молекулы СО2 и четыре возбужденных колебательных уровня.
При электрическом разряде на уровень 4 переводится часть молекул СО2, но
с еще большей вероятностью на нижний колебательный уровень возбуждаются
молекулы азота. Их энергия в результате безызлучательных столкновений
передается затем невозбужденным молекулам СО2, в результате чего и эти
