激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光器的結(jié)構(gòu)
化學(xué)先生 / 2019-08-31
通常實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要 依靠?jī)蓚€(gè)以上的能級(jí):通過(guò)比高能級(jí)還要高一些的泵浦光源，將低能級(jí)的粒子抽運(yùn)到高能級(jí)。-般可以用氣體放電的辦法，利用具有高動(dòng)能的電子去激發(fā)激光材料，稱(chēng)為電激勵(lì):也可用脈沖光源來(lái)照射光學(xué)諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子，稱(chēng)為光激勵(lì):還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激發(fā)方式被形象化地稱(chēng)為泵浦或抽運(yùn)。使用特殊的激光材料是了使原子在激發(fā)態(tài)多“呆”一會(huì)兒。要使激光持續(xù)輸出，必須不斷地“泵浦”，以補(bǔ)充高能級(jí)粒子向下躍遷的不斷消耗。這樣不但可以彌補(bǔ)損失，還可以不斷放大。
激光器的結(jié)構(gòu)：
1.工作介質(zhì)
產(chǎn)生激光的原子 為可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的氣體、液體或固體。所謂能級(jí)合適是指存在“亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)”，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(jí)系統(tǒng)見(jiàn)圖7-5。
2.三 能級(jí)系統(tǒng)
圖7-6 表示了紅寶石激光器的三能級(jí)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(gè)能級(jí)，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(wú)輻射地落入亞穩(wěn)態(tài)E1粒子在E1逗留時(shí)間較長(zhǎng)，約10-7s. 只要激發(fā)足夠強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。三能級(jí)徽光器中，獲得中間能態(tài)和基態(tài)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效率不是很高，因?yàn)樵陂_(kāi)始抽運(yùn)時(shí)，中間能態(tài)(即亞穩(wěn)態(tài))實(shí)際是空的，最低限度要將基態(tài)粒子數(shù)的半數(shù)抽運(yùn)到中間態(tài)才可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
3.四能級(jí)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(jí)系統(tǒng)(four energy levels system)，見(jiàn)圖7-7， 工作氣體是氮?dú)夂湍蕷?其中氖原子產(chǎn)'光，氨原子把它的激發(fā)能共振轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(guān)。普通氨氖激光器輸出波長(zhǎng)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(lì)源(泵浦或抽運(yùn))
實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可用電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程，又稱(chēng)“激發(fā)"、“抽運(yùn)”或“泵浦”。
5.光學(xué)諧振腔
要產(chǎn)生徽光，還需要有一個(gè)能使受激輻射光持續(xù)放大的過(guò)程，該部分裝置稱(chēng)為光學(xué)請(qǐng)振腔，如圖7-8所示。
光學(xué)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(xiàn)垂直的平面波凹珠面反射統(tǒng)構(gòu)成，工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后就能產(chǎn)生光放大。請(qǐng)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(qǐng)振腔軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸. 沿軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的光子將在腔內(nèi)能放南進(jìn)，井經(jīng)兩個(gè)反射鏡的反射，不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生銀蕩。運(yùn)行時(shí)不斷與受顏數(shù)于相遇而產(chǎn)生受豪輻射，沿軸線(xiàn)運(yùn)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(qiáng)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(xué)請(qǐng)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(chēng)為本征模，按頻率區(qū)分的稱(chēng)縱模，按方向區(qū)分的稱(chēng)橫模。兩反射鏡的曲率半徑和間距(腔長(zhǎng))決定了諧振腔對(duì)本征模的限制情況，不同類(lèi)型的譜振腔有不同的模式結(jié)構(gòu)和限模特性。
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