Учебное пособие (для слушателей факультета охраны труда и студентов, изучающих эргономику и бжд) Автор составитель профессор Юрасова Т. И

Вид материала

Учебное пособие

Содержание б. Принцип действия и типы лазеров 3 - источник накачки. Двухуровневая система Схема твердотельного лазера Полупроводниковые лазеры Схема полупроводникового лазера

Подобный материал:

• Учебное пособие (для слушателей факультета охраны труда) И. А. Арнаутова, 379.64kb.
• Рагимовым Робертом Рагимовичем Рецензент доцент, кандидат технических наук Стрелец, 461.77kb.
• Учебное пособие по курсу «управление банковским продуктом» Составитель: к э. н., доцент, 955.86kb.
• Учебное пособие по английскому языку для студентов экономистов. Автор-составитель Большакова, 15.76kb.
• Учебное пособие для студентов педагогических вузов Автор-составитель, 2925.54kb.
• Учебное пособие составитель Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области, 11182.31kb.
• Учебное пособие совместно подготовлено к изданию преподавателями кафедры иностранных, 408.32kb.
• В. М. Агеев экономическая теория учебное пособие, 1438.84kb.
• Учебное пособие Научный редактор: доктор экономических наук, профессор В. В. Семененко, 2428.09kb.
• Учебное пособие предназначено для студентов университетов и педагогических вузов, изучающих, 42.93kb.

б. Принцип действия и типы лазеров

Любой оптический квантовый генератор состоит из трех главных элементов:

1) активного вещества;

2) источника накачки, приводящего активное вещество в возбужденное состояние;

3) оптического резонатора, состоящего из двух параллельных друг другу зеркал (рис.1)



Рис. 4. Блок-схема лазера,

где 1 - рабочее (активное) вещество;

2 - оптический резонатор;

3 - источник накачки.


Главным элементом лазера является активное вещество, которое в возбужденном состоянии имеет отрицательную проводимость, получающуюся вследствие инверсной населенности энергетических уровней.

Рассмотрим работу активного вещества на примере простейшей двухуровневой системы (рис.2), в единице объема которой содержится Ni частиц с энергией Е₁ и N₂ частиц с энергией Е₂.



Рис. 5. Двухуровневая система


Известно, что в состоянии термодинамического равновесия уровень с меньшей энергией имеет больше частиц. Например, в данном случае Е₁<Е₂, следовательно N₁>N₂. Если нарушить термодинамическое равновесие, сделав населенность верхнего уровня N₂ больше населенности нижнего уровня N₁, то мощность излучения, выходящего из вещества, станет больше подводимой к нему мощности, т.е. подводимая мощность усилится. Таким образом, получается квантовое усиление, а при наличии положительной обратной связи возможна генерация колебаний.

В оптических квантовых генераторах инверсная населенность создается с помощью источника накачки, при этом используются различные типы рабочего вещества с трехуровневыми и четырехуровневыми диаграммами состояний. Различные типы лазеров отличаются друг от друга видом применяемого активного вещества. В настоящее время в качестве активного вещества могут использоваться кристаллы рубина, специальные виды стекол (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), различные газы или смеси газов (газовые лазеры) или жидкости (жидкостные лазеры). Все эти типы лазеров различаются по конструкции и параметрам излучения.

Твердотельные лазеры

Твердотельный лазер представляет собой кристалл или стержень рабочего вещества, помещенный в резонатор и возбуждаемый светом импульсной лампы (рис. 6).




Рис. 6. Схема твердотельного лазера,

где 1 - стержень из рубина или стекла с неодимом;

2 - импульсная лампа накачки;

3 - зеркала резонатора.


В качестве активного вещества используются кристаллы рубина (корунд, активированный хромом), иттрий-алюминиевый гранат и стекло, активированное неодимом или эрбием. Резонатор лазера обычно бывает образован торцевыми поверхностями кристалла, которые полируют и покрывают тонким слоем отражающего материала. Иногда используют внешние резонаторы. Для возбуждения рабочего вещества используются импульсные ксеноновые лампы, которые располагаются в непосредственной близости от рабочего тела, окружая его со всех сторон.

Обычный режим работы твердотельного лазера - режим свободной генерации - осуществляется следующим образом. Во время вспышки импульсной лампы накачки происходит увеличение населенности верхнего энергетического уровня и возникает инверсная населенность. Как только инверсная населенность превышает пороговую, начинается генерация. Вследствие генерации верхний уровень частично опустошается и инверсная населенность становится меньше пороговой. Генерация прекращается. Так формируется первый очень короткий импульс излучения (пичок). Между тем излучение импульсной лампы накачки продолжается, инверсная населенность снова возрастает и опять возникает генерашит; формируется второй пичок излучения лазера. Так продолжается до тех пор. пока горит лампа накачки. Недостатком твердотельных лазеров является невысокий КПД (1-2%).

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры отличаются малыми габаритами и простотой конструкции, что делает их очень перспективными для применения в миниатюрной аппаратуре. Инверсная населенность в полупроводниковых лазерах создается в результате прохождения электрического тока через р-n переход. В качестве активной среды наиболее часто используются соединения индия или галия.





Рис. 7. Схема полупроводникового лазера,

где 1 и 6 - электроды;

2 - полупроводниковый кристалл;

3 - полупроводник р - типа;

4 - р-п переход;

5 - полупроводник п - типа,

7 - передняя грань (грань резонатора).

Конструктивно лазер представляет собой полупроводниковый кристалл с р-п - переходом; размеры кристалла около 1 мм (рис. 4). Кристалл имеет форму усеченной пирамиды. Две боковые грани, образующие резонатор, строго параллельны, а две другие во избежание резонанса скошены под углом. Возбуждение осуществляется током, протекающим через кристалл. Полупроводниковые лазеры работают при глубоком охлаждении.

Особенностью полупроводниковых лазеров является высокий КПД (до 70-80%).