Основи лазерної техніки

Основи квантової електроніки

Квантова електроніка – це область фізики, яка досліджує взаємодію електромагнітного випромінювання з електронами, які входять до складу атомів, молекул, твердих тіл, та утворююча на основі цих досліджень квантові пристрої різних діапазонів довжин хвиль та різних призначень.

Лазер (light amplification by stimulated emission of radiation) – посилення світла за допомогою індукованого випромінювання.

Індуковане (вимушене) випромінювання – це додаткове випромінювання внаслідок дії електромагнітного поля.

Населеність енергетичних рівнів – характеризується величинами N та N для невирожденой квантової системи носять назву.

Інверсна населеність рівнів – це населеність рівнів у порівнянні зі станом термодинамічної рівноваги (Т > 0), коли нижній рівень заселений менше, ніж верхній.

Активне середовище - це середовище, у якому здійснено інверсію населеності.

Принцип додатнього зворотного зв”язку полягає в тому, що частина посиленого випромінювання повертається назад в активне середовище і проходячи крізь нього посилюється.

Умова самозбудження квантового генератора – це умова, коли коефіцієнт квантового посилення активного середовища квантового генератора більше або дорівнює граничному коефіцієнту посилення G, визначеного рівністю G = G = G + 1n

Ширина спектральної лінії – це інтервал частот між точками, для яких інтенсивність випромінювання падає у два рази по відношенню до максимальної.

Форм-Фактор – це назва функції g (w), яка кількісно характеризує форму лінії поглинання (випромінювання).

Часова когерентність – кореляція між фазами хвиль, які випромінюються одним і тим же джерелом у різні проміжки часу.

Просторова когерентність – кореляція між фазами хвиль, які випромінюються джерелами, розташованими в різних точках простору.

Довжина когерентності – максимальна різниця ходу променів, яка пов’язана через швидкість світла з часовою когерентністю.

Гомолазер – це лазер на звичайних p-n-переходах.

Гетеролазери – це складні p-n-структури, які складаються з напівпровідникових матеріалів з різною шириною забороненої зони.

Провал Лемба – це провал на залежності вихідної потужності газового лазера від частоти генерації. Він з’являється в центрі розподілу інверсної населеності по швидкостям і, як наслідок, до появи в центрі лінії поглинання (посилення) провалу.

 

 

Основи лазерної техніки

Закон Больцмана – в умовах термодинамічної рівноваги при довільній температурі середовище з більш низькою енергією повинно мати більшу населеність, ніж середовище з більш високою енергією.

Від’ємна температура виникає за умови порушення рівноважного стану системи, для якого має місце інверсія населеності рівнів.

Релаксація - процес встановлення теплової рівноваги, якщо рівноважний стан речовини порушений.

 

 

Квазімохроматична хвиля являє собою вид коливань електромагнітного поля із середньої (центральної) частотою й деякою шириною спектра

Ширина спектральної лінії – частотний інтервал, у межах якого інтенсивність випромінювання або поглинання зменшуєтся в двічі в порівнянні з максимальним значенням.

Форм-фактор (Лоренцова форма лінії) - рівняння контуру спектральної лінії F (v), що визначається по формулі:

Принцип невизначеності стверджує, що на відміну від фізичного тіла, положення й імпульс якого строго визначені, квантова частка не може перебувати в станах, у яких координати її центра інерції й імпульс одночасно приймають певні, конкретні значення.

Однорідне уширення – таке розширення, при якому форма спектральної лінії залишається незмінною, а через зменшення часу життя ширина спектральної лінії збільшується.

Доплеровское розширення – неоднорідне розширення спектральної лінії, випромінюваною сукупністю молекул можна отримати в тому випадку, коли кожний атом має свою частоту переходу.

Число gm - кратність виродження рівня.

Квантова електроніка – це сучасна область фізики, що вивчає взаємодію електромагнітного випромінювання з електронами, що входять до складу атомів молекул твердих тіл і, що створює на основі цих досліджень наукові методи для розробки квантових пристроїв різного призначення.

Лазерна техніка – це сукупність науково обґрунтованих методик розрахунку, технічних рішень і засобів, що дозволяють оптимальним чином створювати схеми й конструкції квантових приладів, заснованих на використанні лазерного випромінювання.

Ознаки класифікації лазерів: режим роботи, тип активного тіла й спосіб накачки.

Спектр випромінювання – набір монохроматичних хвиль, що становлять електромагнітне поле.

Частотний спектр – набір частот електромагнітних хвиль, випромінюваних або речовини, що поглинаються атомами.

Спонтанний атомний перехід – перехід атома без якого - небудь зв'язку із зовнішнім випромінюванням з одного стану в інший з меншою енергією. Це явище випадкове в часі й просторі.

Населеність рівня – це кількість квантових часток в 1 см*3 речовини, що перебувають на даному енергетичному рівні.

Індуковані переходи – це квантові переходи, що відбуваються під впливом зовнішнього електромагнітного поля.

Правила відбору визначають можливість квантового переходу з одного енергетичного стану в інший.

Безвипромінювальні переходи -це квантові переходи, при яких квантові частки віддають або одержують енергію без випромінювання фотонів, взаємодіючи з іншими системами.

Активна речовина – це речовина, у якому є два збуджених рівні з населеностями й за умови, що населеність Nn рівня Еn більше населеності Nm рівня Еm, розташованого нижче (Nn> Nm).

Інверсія населеностей рівнів – таке співвідношення між населеностями розглянутої пари енергетичних рівнів активної речовини, при якому кількість квантових часток на верхньому рівні більше, ніж на нижньому.

Умова самозбудження – це ситуація, коли коефіцієнт квантового підсилення G компенсує втрати в резонаторі, або коли коефіцієнт квантового підсилення більше внутрішніх втрат резонатора на величину втрат енергії на дзеркалах.

Добротність резонатора – це відношення електромагнітної енергії, запасеної в резонаторі Е к середньої енергії, втраченої ним за ½ періоду коливання.

Матриця ABCD перетворення променів – це передаточна матриця М. Траєкторія променя, що проходити через різні заломлюючі поверхні, а також відбивається, складається з послідовності декількох прямих ліній. Кожна з цих ліній однозначно визначається двома координатами; висотою променя, де він перетинає опорну площину, і кутом, що становить дана пряма з віссю o. Опорна площина розміщається на відстані z = const і ортогонально осі oz. Якщо простежити за траєкторією променя, що проходити від однієї ОП(1) до інший ОП(2), між якими перебуває будь-який оптичний елемент, то спочатку промінь перетинає площина ОП(1) і має значення параметрів y(1); Потім проходити через оптичні елементи й досягає ОП(2) на який має параметри y(2); Математичний зв'язок між цими параметрами й властивостями оптичного елемента може бути встановлена за допомогою двох лінійних рівнянь:

Y(2)=Ay(1) + BΘ; γ=Cy(1) + D Θ;

де A, B, C, D - передатні відносини оптичних елементів;

y(1), y(2), Θ, γ - змінні вхідні й вихідні величини.

Відокремлюючи змінні величини від постійних, запишемо ці рівняння в матричній формі

 

Де - матриці-стовпці вихідного й вхідного променя відповідно;

- передатна матриця перетворення променів (матриця передачі ABCD)

Коефіцієнт корисної дії твердотільного лазера – відношення енергіі Е(вих) індукованого випромінювання одиночного імпульсу до електричної енергіі Е(вх) поступаючої від мережі на вхід системи накачування.

Квантова ефективність - відношення числа випромінених фотонів з метастабільного рівня активної речовини до числа квантових часток, що беруть участь у його збудженні.

Квантовий вихід – це кількісна величина, що визначає к.п.д лазера.

Гетеролазер – це напівпровідниковий лазер, у якого використовуються оптичні переходи за участю вільних носіїв у багатошарових складних кристалічних структурах з оптичним обмеженням світла й електронним обмеженням дифузійного розтікання інжекторних носіїв струму.

Конкуренція мод – фізичне явище одночасної взаємодії зустрічних хвиль, коли інтенсивність одного випромінювання збільшується, а іншого – зменшується, і все це визвано посиленням однієї групы атомів активного середовища.

Ефект Фарадея полягає в повороті площини поляризації лінійно поляризованого світла, що поширюється вздовж силових ліній магнітного поля.

Ефект Керра – це зміна показника заломлення кристала пропорційно квадрату напруженості електричного поля. (для рідин і газів)

Ефект Поккельса -це зміна показника переломлення кристала пропорційно напруженості електричного поля. (для кристалів без центрів симетрії)

Модуляція випромінювання - це зміна за заданим законом характеристик лазерного випромінювання для одержання інформаційного сигналу з певною тимчасовою залежністю.

Фотопружність – це зміна показника заломлення речовини при впливі механічних деформацій.

Просторова когерентність в завдань момент часу пов'язана з кореляцією між фазами хвиль електромагнітного поля в різних точках простору.

Часова когерентність характеризує кореляцію між фазамиелектромагнітного поля в заданій точці простору в різні моменти часу.

Газодинамический лазер – це газові лазери, у яких джерелом енергії є коливально-збудженні молекули, а інверсія населеностей створюється шляхом швидкого розширення попередньо нагрітої посилюючої газової суміші, що рухається з надзвуковою швидкістю через оптичний резонатор.