激光粒子數(shù)反轉和激光器的結構
化學先生 / 2019-08-31
通常實現(xiàn)粒子數(shù)反轉要 依靠兩個以上的能級:通過比高能級還要高一些的泵浦光源，將低能級的粒子抽運到高能級。-般可以用氣體放電的辦法，利用具有高動能的電子去激發(fā)激光材料，稱為電激勵:也可用脈沖光源來照射光學諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子，稱為光激勵:還有熱激勵、化學激勵等。各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運。使用特殊的激光材料是了使原子在激發(fā)態(tài)多“呆”一會兒。要使激光持續(xù)輸出，必須不斷地“泵浦”，以補充高能級粒子向下躍遷的不斷消耗。這樣不但可以彌補損失，還可以不斷放大。
激光器的結構：
1.工作介質(zhì)
產(chǎn)生激光的原子 為可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的氣體、液體或固體。所謂能級合適是指存在“亞穩(wěn)態(tài)能級”，即激發(fā)態(tài)壽命1= 10-3s左右，一股原子系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)壽命只有10-8s.能級系統(tǒng)見圖7-5。
2.三 能級系統(tǒng)
圖7-6 表示了紅寶石激光器的三能級系統(tǒng)(three energy levels system)。紅寶石是三氧化二鋁，在其基質(zhì)中有三個能級，即Eo，E1, E2，其中Eo是穩(wěn)態(tài)，E2 是激發(fā)態(tài)，E1是亞穩(wěn)態(tài)。處于Eo的粒子被激發(fā)到E2，粒子在E2是不穩(wěn)定的，約10-7s內(nèi)很快地自發(fā)無輻射地落入亞穩(wěn)態(tài)E1粒子在E1逗留時間較長，約10-7s. 只要激發(fā)足夠強，就能使得亞穩(wěn)態(tài)的粒子數(shù)增多，基態(tài)的粒子數(shù)減少，從面實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。三能級徽光器中，獲得中間能態(tài)和基態(tài)間粒子數(shù)反轉的效率不是很高，因為在開始抽運時，中間能態(tài)(即亞穩(wěn)態(tài))實際是空的，最低限度要將基態(tài)粒子數(shù)的半數(shù)抽運到中間態(tài)才可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。
3.四能級系統(tǒng)
以惰性原子氣體為激光工作物質(zhì)的氣體激光器。包括氨氖激光器、氙激光器等。氨氖(He-Ne)激光器誕生于1962 年，屬四能級系統(tǒng)(four energy levels system)，見圖7-7， 工作氣體是氮氣和氖氣.其中氖原子產(chǎn)'光，氨原子把它的激發(fā)能共振轉移給氖原子，用以提高泵浦效率。氨氖激光器輸出功率不大，一股為兒毫瓦到幾十毫瓦，與放電管長度和直徑、充氣氣壓、氨氖混合比、放電電流、輸出鏡透射率等因素有關。普通氨氖激光器輸出波長為632. Bnm的紅色激光，采取一定措施后， 可以得到綠色(543. Snm)、 黃色(594nm) 、紅外(1. 15nm和3.39nm)激光。
4.激勵源(泵浦或抽運)
實現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉，可用電激勵，光激勵，熱激勵，化學激勵等方法，從外界吸收能量. 使原子系統(tǒng)的原子 不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的過程，又稱“激發(fā)"、“抽運”或“泵浦”。
5.光學諧振腔
要產(chǎn)生徽光，還需要有一個能使受激輻射光持續(xù)放大的過程，該部分裝置稱為光學請振腔，如圖7-8所示。
光學消振陀是徽光器的必要組成部分，通常由兩塊與工作介質(zhì)軸線垂直的平面波凹珠面反射統(tǒng)構成，工作介質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉后就能產(chǎn)生光放大。請熱腔的作用是選擇頻本一定:方向一致的光格其優(yōu)先放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制.如圖79所示，凡不沿請振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸. 沿軸線運動的光子將在腔內(nèi)能放南進，井經(jīng)兩個反射鏡的反射，不斷往返運行產(chǎn)生銀蕩。運行時不斷與受顏數(shù)于相遇而產(chǎn)生受豪輻射，沿軸線運行的光子不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是激光。為把激光引出腔外，可把一端的反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的激光，反射部分留在腔內(nèi)繼續(xù)增殖光子。光學請振腔的作用有:①提供反饋能量:②選擇光波的方向和頻率。諧振腔內(nèi)可能存在的頻率和方向稱為本征模，按頻率區(qū)分的稱縱模，按方向區(qū)分的稱橫模。兩反射鏡的曲率半徑和間距(腔長)決定了諧振腔對本征模的限制情況，不同類型的譜振腔有不同的模式結構和限模特性。
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