Высокочастотное возбуждение активной среды

В большинстве лазеров на СО2 используется смесь углекислого газа, азота и гелия в пропорции приблизительно 1:2:3 соответственно. Существенную роль, которую играет азот в эффективном возбуждении верхнего лазерного уровня, можно видеть на упрощенной диаграмме электронных энергетических уровней. Колебательные уровни азота являются метастабильными, в результате чего наиболее вероятный способ снятия возбуждения состоит в резонансной передаче при столкновении с находящейся в основном состоянии молекулой СО2, которая, таким образом, возбуждается до уровня 00° 1. Следует отметить, что с каждым колебательным уровнем связано большое количество близко расположенных, высокоэнергетических вращательных состояний. В результате могут возбуждаться многие лазерные переходы в области 10,6 и 9,6 мкм, а также на близлежащих длинах волн. Близость лазерного энергетического уровня к основному наряду с высокой вероятностью возбуждения уровня 00°1 делают СО2-лазер очень эффективным, причем вполне достижим общий КПД свыше 10%. Однако это является причиной ограничения выходной мощности, так как при нагревании газа уровень 0101 становится термически заселенным, что препятствует снятию возбуждения с нижнего лазерного уровня. Здесь более предпочтительным является гелий, так как за счет хорошей теплопроводности он способствует охлаждению разряда, а благодаря снятию возбуждения в результате столкновения молекул населенность нижнего лазерного уровня уменьшается быстрее. Достоинством гелия является еще и то, что путем изменения его давления можно осуществлять некоторое управление распределением энергии электронов в разряде, а это может использоваться для получения максимальной скорости возбуждения на верхний энергетический уровень.

Прикладываемое к модулятору напряжение изменяет плоскость поляризации излучения в резонаторе, а следовательно, и пропорциональную часть выводимой с помощью дифракционной решетки выходной мощности. Более эффективно использовать внутрирезонаторную, а не внешнюю модуляцию, которая требует меньших модулирующих напряжений.

Принцип генерации когерентных «оптических колебаний квантовыми генераторами основан на явлении вынужденного или индуцированного излучения. Именно «вынужденность» излучения обусловливает высокую степень когерентности генерируемых колебаний, направленность и большую спектральную плотность мощности. Механизм вынужденного излучения квантовыми системами можно строго объяснить с позиций квантовой электродинамики. Упрощённое объяснение основано на методе определения коэффициентов вынужденного и спонтанного излучения, разработанном первые Альбертом Эйнштейном. Ниже на основе последнего метода выводятся соотношения инверсной населенности, а также условия самовозбуждения и генерации оптического квантового генератора (ОКГ).

Рассмотрим систему частиц (атомов, молекул или ионов), находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Обозначим общее число частиц, составляющих систему, через N0. Пусть система характеризуется, среди прочих других, двумя энергетическими уровнями E1 и Е2. Населенность этих энергетических уровней обозначим через N1 и N2 (населенность энергетического уровня равна числу частиц с данной энергией в единице объема). Согласно закону Больцмана населенности этих энергетических уровней при термодинамическом равновесии выражаются как

,

где Т - абсолютная температура, К; k - постоянная Больцмана.

Эти формулы не учитывают степени вырождения уровней. Соотношение населенностей имеет вид:

,

где .

Температура, выраженная через отношение населенностей уровней, определяется:

.

Согласно этому (соотношению на более высоком энергетическом уровне (например, Е2) при термодинамическом равновесии всегда находится меньшее число частиц (т.е. <). Такое состояние характеризуется положительной температурой Т > 0 К. Если система частиц подверглась внешнему воздействию и частицы перераспределились так, что на верхнем энергетическом уровне их число стало больше, чем на нижнем, т.е. >состояние системы характеризуется «отрицательной» температурой Т < 0 К.

Лучшие статьи по информатике

Проектирование линзовой афокальной насадки для маломощного лазера
Основой любого оптического прибора, в том числе и лазера, является оптическая система, которая представляет собой совокупность оптических деталей (линз, зер ...

Проект цифрового печатного узла, выполняющего функцию стабилизации напряжения
Производство цифровых устройств электронной аппаратуры в настоящее время находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в зна ...

Проектирование передатчика с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы
При расчете радиопередающего устройства необходимо отметить назначение передатчика. Назначение передатчика - преобразование энергии источника питания в э ...