Телефон: +7 921 936 2039

Оптоволоконные спектрометры AvaSpec

AvaSpec-ULS2048x64-EVO и        AvaSpec-ULS2048x64-TEC-EVO      аналитический спектрометр

AvaSpec-ULS2048CL-EVO инновационный спектрометр

AvaSpec-ULS4096CL-EVO инновационный спектрометр

StarLine двухканальный
AvaSpec-2-EVO Dual
компактный спектрометр

AvaSpec многоканальный оптоволоконный спектрометр - высокое оптическое разрешение

AvaRaman cистема для Рамановской спектроскопии

AvaMouse ручной сканирующий спектрофотометр-фотоколориметр

Электронная платформа AS161

Электронная платформа AS5216 USB2.0

AvaBench оптические платформы AvaSpec спектрометров

Интерфейс-кабели для спектрометров AvaSpec

А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина

Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система

Часть I

Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры

1.4. Вынужденное излучение. Лазеры

Поглощение и спонтанное излучение света кристаллами мы уже рассмотрел. Остановимся теперь на вынужденном излучении, наличие которого было впервые постулировано А. Эйнштейном в 1905 году для объяснения спектров излучения абсолютно чёрного тела.

Если атом находится в возбужденном состоянии, то существует вероятность вынужденного испускания света под действием поля проходящей электромагнитной волны. С квантовых позиций фотон с энергией hνB_{12 B}= EB_{2 B}- EB_1B стимулирует квантовые переходы в атоме с верхнего уровня EB_2B на нижний EB_1B, в результате возникает еще один фотон с энергией hν. Принципиально важным является то, что вынужденное излучение имеет точно такие же характеристики, что и первичное: ту же частоту, направление распространения и поляризацию. Иными словами, первичный и вторичный фотоны неразличимы (см. п. 1.1 ).

Таким образом, новые фотоны, индуцированные падающим светом, усиливают свет, проходящий через коллектив излучающих атомов (или центров излучения в твердом теле). Препятствуют этому процессу центры, находящиеся в основном состоянии и имеющие определенную вероятность поглощения света. В случае преобладания актов вынужденного излучения среда становится усиливающей (говорят об отрицательном поглощении света), что определяется формулой В.А.Фабриканта (1951 г.):

Ф = ФB_0B, (1.4.1)

где a(n) - отрицательный показатель поглощения, а сам закон сопоставим с законом Бугера-Ламберта (7.4).

Для усиления излучения необходимо создать неравновесное состояние системы (NB_{2 B}> B _BNB_1B, где NB_1B и NB_2B - число центров, находящихся в данный момент времени в основном и возбужденном состояниях), иначе говоря, - осуществить инверсию населенности ее энергетических уровней (рис. 1.4.1). Перевод среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды (оптическая накачка, с помощью электронного пучка и т.д.). Вследствие спонтанного излучения использование двухуровневой системы для получения инверсии населенности оказывается неэффективным. В этих целях применяют многоуровневые квантовые системы атомов или ионов, накачка которых сначала переводит рабочие центры в возбуждённые состояния с более высокой энергией, чем энергия, соответствующая испусканию квантов индуцированного излучения. Такие системы могут работать по трёх-, четырёх- (или более) уровневым схемам, причём желательно, чтобы нижнее состояние для индуцированного светом перехода было расположено несколько выше по энергии, чем основное состояние квантовой системы, что явно упрощает условия получения инверсной заселённости соответствующих уровней (малая равновесная заселённость конечного состояния этих переходов). Трёхуровневый метод создания сред с отрицательным поглощением, предложенный Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (1955г.) используется и в твердотельных устройствах (например, в рубиновых лазерах – рис. 1.4.1 в).

Упрощённая схема квантового усилителя представлена на рис. 1.4.1,а. Среду, в которой возможно создание инверсии населенностей энергетических уровней, называют активным элементом усилителя.

При наличии накачки активного элемента входной сигнал на частоте νпройдя через этот элемент, усиливается за счет процессов вынужденного излучения, так что на выходе системы формируется усиленный сигнал ФB_выхB.

Для превращения усилителя в оптический квантовый генератор (лазер) желательно ввести положительную обратную связь, как это обычно делается и в электронных усилителях,. То есть часть усиленной мощности с выхода подать на вход системы, в этих целях в лазерах используют оптический резонатор: активный элемент (кристалл) помещается между двумя строго параллельными зеркалами (модифицированный интерферометр Фабри-Перо) (рис. 1.4.1,б). Любой фотон, возникающий в активном элементе за счет спонтанного излучения атомов среды, является источником начала генерации света. Например, если рожденный фотон движется вдоль оси резонатора (ось, проходящая через активный элемент, перпендикулярна зеркалам), то он образует лавину фотонов, двигающихся в том же направлении. Этот поток фотонов будет поочередно отражаться от зеркал, усиливаясь при каждом последующем прохождении через активный элемент вследствие вынужденного испускания света. Для вывода лазерного излучения одно из зеркал делается частично прозрачным, меняя значение коэффициента отражения этого зеркала, можно изменять величину обратной связи. Иногда отражающие покрытия наносят непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды, в этом случае необходимость в выносных зеркалах отпадает. При изготовлении активных элементов из полупроводниковых материалов с высоким показателем преломления света (n = 2,5 ¸ 4) коэффициент отражения границы раздела воздух-кристалл может превысить 35%, поэтому естественные грани кристалла образуют неплохой резонатор и отражающие покрытия часто вообще не применяются.

С точки зрения волновой теории процесс усиления света означает увеличение амплитуды световой волны. Для того, чтобы волна, дважды отраженная от зеркал, возвратилась к испустившему ее центру в той же фазе, в которой она была испущена (условие максимума при интерференции первичной и отраженной волн), необходимо выполнение условия резонанса:

2L = ml, (1.4.2)

где L - расстояние между зеркалами; l - длина волны; m = 1,2,...

В качестве примера накачки активного элемента с целью получения лазерного излучения рассмотрим работу лазера на рубине (Т.Мейман, 1960), то есть кристалле AlB_2BOB_3B с примесью хрома, который в виде ионов CrP^3+P замещает часть (0,05%) атомов Al . Уровни хрома располагаются в пределах широкой (около 6 эВ) запрещенной зоны AlB_2BOB_3B, и процессы поглощения энергии и излучения могут происходить внутри этих центров свечения (рис. 1.4.1,в). Свет от мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня EB_1B на возбужденные уровни EB_3B и ЕB_4B, образующие две широкие полосы. Примерно через 10P^-8P c электроны безызлучательно опускаются на метастабильные уровни EB_2B, на которых они могут находиться около 10P^-3P с. На уровнях EB_2B происходит постепенное накопление электронов, создается инверсная заселенность этих уровней по отношению к уровням EB_1B, и свет с частотой n, удовлетворяющей условию hn = EB_{2 B}-B _BEB_1B, может вызвать вынужденные переходы электронов с уровней ЕB_2B на уровни ЕB_1B с излучением на длине волны 0,69 мкм (красный свет).

Рубин лазера представляет собой искусственный монокристалл, как правило, цилиндрической формы (диаметром около 1 см и длиной примерно 10 см) с тщательно отполированными плоскими торцами. На них путем испарения наносят диэлектрические (или металлические) зеркала. Усиление и излучение происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств более предпочтительным является лазер на кристаллах иттриево-алюминиевого граната с примесью неодима YB_3BAlB_5BOB_12B : NdP^3+P. Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия, создавая четырехуровневую систему, которая излучает на длине волны 1,06 мкм; в качестве источника накачки используется вольфрамовая или ртутная лампа. Благодаря повышенной концентрации центров свечения лазер с неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт), что позволяет снижать размеры устройства. КПД таких лазеров равен примерно 1%, хотя у лазеров на основе редкоземельных скандиевых гранатов он может быть в 4-5 раз выше. Лазерную генерацию можно получить и на стеклах с соответствующей примесью (например, неодима). Преимуществом стекол является их изотропность и разнообразие возможных технологических процессов (сверление, вытягивание, плавление и т.д.), недостатком - низкая теплопроводность (не применимы при высокой средней мощности излучения). Кроме того, перспективны лазеры и усилители света на световодах с примесью ионов редкоземельных элементов.

Специально изготовленные светодиоды (с сильным заполнением электронами возбужденных уровней) используются для создания полупроводниковых инжекционных лазеров, которые более эффективны (КПД достигает 50%) и миниатюрны, чем рассмотренные ранее лазерные системы, хотя и уступают по расходимости потока излучения твердотельным лазерам с редкоземельными ионами.

Контрольные вопросы

1. Опишите основные свойства вынужденного излучения.

2. Что означает инверсия населённости энергетических уровней?

3. Рассмотрите общую схему квантового усилителя.

4. Опишите принцип работ лазера.

5. Рассмотрите работу лазера на рубине.