1.3. Вимоги, необхідні для створення оптичного квантового генератора.

Хай в речовині є збуджені атоми з енергією Е_2, а їх населеність (число рівнів) N₂

Якщо населеність N₂ рівня Е₂ більше населеності N_;l рівня Е₁ розташованого нижче, тобто , то така речовина називається активною.

При проходженні через активну речовину квантів електромагнітного випромінювання з частотою, рівною частоті кванта, що виникає під час переходу електрона з Е₂ на Еі, буде відбуватися лавинне "розмноження" квантів в речовині за рахунок вимушеного випромінювання, тобто посилення світла.

Проте в природних умовах, тобто в умовах теплової рівноваги в речовині, рівні з меншою енергією населені щільніше, ніж рівні з більшого енергією (), що підкоряється закону розподілу Больцмана:

. (4)

З рівняння виходить, що населеність рівнів зменшується зі зростанням енергії рівня Е_{n ,} а з підвищенням температури населеність верхніх рівнів росте, але все - таки залишається менше населеності нижніх рівнів. З розподілу Больцмана виходить важливий висновок: у рівноважному стані речовини нижні рівні завжди населені більше верхніх. Тому така речовина більше поглинає випромінювання, що проходить через нього, щоб зробити речовину сильнішою (активною),необхідно порушити його теплову рівновагу так, щоб хоч би для однієї пари рівнів верхній був населений більше, ніж нижній.

Стан активної речовини, при якій населеність N верхніх рівнів енергій більше населеності N нижчих рівнів енергії, називається станом з інверсією заселеності. Виходячи з цього, можна сформулювати вимоги, які необхідно реалізувати, щоб отримати оптичний квантовий генератор:

1.Потрібно мати робочу речовину з інверсною заселеністю хоч би двох рівнів, вимушений перехід електронів між якими забезпечить отримання посиленого випромінювання певної частоти.

2. Необхідно постійно або імпульсно підтримувати інверсну заселеність рівнів.

З. Робочу речовину слід розташувати між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок, тобто дозволяють відобразити частину випромінювання для неодноразового проходу його через активну речовину з метою збільшення кількості квантів вимушеного випромінювання.

4. Посилення, що дається активною речовиною, залежить від коефіцієнта віддзеркалення напівпрозорого дзеркала, через яке виводиться назовні когерентний потік випромінювання.

2. Призначення, будова і принцип роботи приладу.

На мал. 1 представлено схематичне зображення газового гелій-неонового лазера, де:

1 - судина, що містить суміш газів;

2 - напівпрозоре дзеркало;

3 - непрозоре дзеркало;

4 - електроди;

5 - генератор змінної напруги.

У He-Ne лазері робочим з активною речовиною є нейтральні атоми неону. Інверсна заселеність рівнів Не створюється за рахунок зіткнення їх з електронами, що утворюються в електричному розряді. В електричному розряді частина атомів Ne переходить з основного Е_г рівня на рівні Е₄ Е₅., які довго живуть. Інверсія населеності створюється більш заселеним Е₄ Е₅ у порівнянні з рівнем Е₃, що недовго живе, в чистому неоні створенню інверсії заважає метастабільний рівень Е₂, котрий необхідно розрядити. Цю складність подолали введенням в неон домішків гелію. Енергія двох довго живучих збуджених рівнів Е₂ і Е₃ атома гелію,що довго живуть точно співпадає з енергіями рівнів Е₄ Е₅ атомів неону. Тому при зіткненні збуджених атомів гелію з не збудженими атомами неону можлива резонансна передача збудження, в результаті якої атоми неону виявляться в збуджених станах Е₄ або Е₅, а атоми гелію-в основному стані Е1. (Мал.2)

Ne He

Мал.2.

Таким чином, відбувається додаткове заселення рівнів Е₄ і Е₅ атомів неону до збудження на ці рівні атомів неону при зіткненні з прискореними електронами в газовому розряді. Якщо оптимально підібрати тиск Не (0 . 1мм. рт. ст.) і не (1мм. рт. ст.} у сумішах, то можна добитися інверсного заселення одного або обох рівнів Е₄ і Е₅ атомів Ne.

Далі проблема спирається на те, як спустошити рівень Е₃ для можливості вимушеного випромінювання з рівнів Е₄ і Е₅ на цей рівень. Виявилось, що якщо підібрати оптимальний діаметр газорозрядної трубки, то при зіткненні збуджених атомів Ne, сильно спустошуються метастабільні рівні Е₂, що довго живуть, а це означає, що на цей рівень перейдуть електрони з швидкого рівня Е₃; швидке спустошення рівня Е₃ призводить до заповнення його електронами з рівнів Е₄ і Е₅" , тобто збільшенню вірогідності спонтанного і вимушеного випромінювання.

1. Узагальнена структурна схема установки.

Для дослідження властивостей лазерного випромінювання використовується оптична лава з рейтерами (мал.3), де:

1. Лазер.

2. Диск, що обертається, з кутовою поділкою через 30°; в нього можуть бути вставлені дифракційні грати, поляроїд, препарат крові.

3. Екран для візуального спостереження або фотоелемент для об'єктивної реєстрації інтенсивності випромінювання.

4. Шкала-екран для спостереження за дифракційним спектром.