Основы генерации лазерного излучения

1.

Национальный исследовательский университет
«Московский энергетический институт»
КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ ПОТОКИ ЭНЕРГИИ И
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИХ ГЕНЕРАЦИИ
Лекция №12
ОСНОВЫ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Кафедра технологии металлов НИУ «МЭИ»

2.

Накачка лазера
Накачка лазера – процесс передачи энергии внешнего источника в рабочее тело.
Энергия накачки переводит активные частицы лазера в возбужденное состояние.
Рабочее тело – это среда в которой происходит генерация когерентного, монохромного,
поляризованного узконаправленного излучения (лазерного излучения).
Виды рабочих тел:
• твердые – кристаллы, стекла, полупроводники;
• жидкие – растворы органических красителей;
• газообразные – газы и их смеси, пары металлов.
Способы накачки:
• оптическая;
• электрическая;
• газодинамическая;
• химическая;
• ядерная;
• электронным пучком.
Схематическое устройство лазера
2

3.

Оптическая накачка
Источник света:
• газоразрядная или дуговая лампа;
• светодиод;
• лазер.
3

4.

Электрическая накачка
В газовых лазерах применяется газоразрядный способ возбуждения (как в
газоразрядных лампах).
1 – разрядная трубка, 2 – кольцевые электроды,
3 – каналы медленного обновления смеси, 4 –
разрядная плазма, 5 – внешняя трубка, 6 –
охлаждающая (проточная) вода, 7 – глухое
(непрозрачное) зеркало, 8 – выходное
полупрозрачное зеркало, 9 – выходящее
излучение
В полупроводниковых лазерах
накачка происходит непосредственно
электрическим током
4

5.

Газодинамическая накачка
При газодинамическом способе инверсная заселенности среды получается за счет
различного времени релаксации верхнего и нижнего уровней, происходящей при резком
расширении предварительно нагретого рабочего тела с равновесной заселенностью
уровней.
5

6.

Химическая накачка
При химическом способе образование и возбуждение активных частиц происходит в
результате неравновесных химических реакций.
6

7.

Ядерная накачка
Накачка рабочего тела происходит за счёт ионизирующего излучения от ядерных реакций.
7

8.

Оптический резонатор
Для того, чтобы увеличить путь света в активной среде, применяют зеркала
(многократное отражение), которые образуют оптический резонатор.
Оптический резонатор позволяет сформировать стоячую электромагнитную волну и
получить высокую интенсивность излучения.
8

9.

Пороговые условия генерации
В работе оптического резонатора существуют следующие потери энергии αe:
• поглощение в активной среде (на неактивных составляющих лазерной среды);
• рассеяние в среде (потери при отражении от зеркал и на других оптических элементах.
После первого прохода и отражения от зеркала получим:
После второго прохождения и отражения от зеркала имеем коэффициент усиления G :
При G > 1 имеет место режим усиления случайных флуктуаций на резонансной частоте,
при G < 1 - затухание, Поэтому G = 1 - пороговое условие генерации.
9

10.

Формирование лазерного пучка в резонаторе
Схема резонатора со сферическими зеркалами
В геометрическом приближении условие устойчивости резонатора имеет вид
0 < q1 ∙ q2 < 1
где параметры q1= (1 - L /r1), q2= (1 - L /r2).
10

11.

Конфигурации лазерных резонаторов
r1 = r2 = ∞
r1 = r2 = L
r1, r2>> L
r1= r2= L/2
-r1, -r2>> L
r1= L, r2= ∞
11