Лазер (оптический квантовый генератор) — устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой

Оглавление

Оглавление 2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА 2
ВИДЫ ЛАЗЕРОВ 11
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ 11
ЖИДКОСТНЫЕ ЛАЗЕРЫ 18
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ 20
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ 24
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ 27
Список использованной литературы 28

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

Лазер — оптический квантовый генератор, устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Слово «лазер» — аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света вынужденным излучением. Существующие лазеры охватывают широкий диапазон длин волн λ — от УФ до субмиллиметрового. Первым был рубиновый лазер, созданный Т.Мейманом (США) в 1960. Когерентность и направленность — основные характеристики излучения лазера, вынужденное излучение и обратная связь — главные процессы, приводящие к генерации. Существуют также лазеры-усилители, в которых усиление приходящих извне электромагнитных волн осуществляется при отсутствии обратной связи. В некоторых лазерных системах вслед за лазером-генератором следует один или несколько лазеров-усилителей.
До создания лазеров когерентные электромагнитные волны существовали практически лишь в радиодиапазоне, где они возбуждались генераторами радиоволн. В оптическом диапазоне имелись лишь некогерентные источники, излучение которых представляет суперпозицию волн, испускаемых множеством независимых микроскопических излучателей. В этом случае фаза результирующей волны изменяется хаотически, излучение занимает значительный диапазон λ и обычно не имеет определенного направления в пространстве.
С квантовой точки зрения излучение нелазерных источников света складывается из фотонов, испускаемых независимо отдельными частицами, причем их испускание происходит спонтанно, в произвольных направлениях, в случайные моменты времени, а длина волны, возникающей при сложении множества актов испускания, не имеет точно определённого значения и лежит в пределах, зависящих от разброса индивидуальных свойств, излучающих микросистем. Действие лазера основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля.
Вероятность вынужденного испус­кания для системы, находящейся в возбуждённом состоянии ε₂, пропорциональна спектральной плотности излучения ρ(ω) действующей волны и равна вероят­ности поглощения для системы, находящейся в нижнем состоянии ε₁. При термодинамическом равновесии в ан­самбле, состоящем из большого количества частиц, каждая из которых может находить­ся только, например, в двух энергетических состояниях ε₁ и ε₂, числа частиц N₁ и N₂, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причём N₁ < N₂. Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает электромагнитные волны, хотя для единичного акта вероятность вынужденного испуска­ния фотона равна вероятности его поглощения, полная вероятность поглощения, пропорциональная числу N₁ частиц на нижнем уровне, больше вероятности вынужденного испускания, пропорциональна числу N₂ частиц на верхнем уровне. Погло­щение может уступить место усиле­нию электромагнитной волны при её распрост­ранении сквозь вещество, если N₁ > N₂. Такое состояние вещества называется инверсным (обращённым), или состоянием с инверсией населённостей, и не явля­ется равновесным.
Если через среду с инверсией насе­лённости проходит электромагнитная волна с частотой ω=(ε₁ – ε₂)ћ, то по мере её распространения в среде интен­сивность волны будет возрастать за счёт актов вынужденного испуска­ния, число которых N₂ρ превосходит число актов поглощения N₁ρ. Уве­личение интенсивности волны (уси­ление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну (рис. 1). Уси­ление электромагнитной волны за счёт вынуж­денного испускания приводит к экспоненциальному закону роста её интенсивности I по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в веществе: I=I₀exp(αz), где I₀ — интенсивность входящей волны, α ~ (N₂ – N₁) — коэффициент квантового усиления. В реальном веществе наряду с усилением неизбежны потери, связанные с нерезонансным поглощением, рассеянием и т. п. Если ввести для описания суммарных потерь коэффициент потерь β, то I=I₀exp[(α – β)z].
Вещество, приведённое каким-либо образом в инверсное состояние, неизбежно возвратится в равновесное состояние и релаксирует. При этом избыточная энергия выделяется в виде фотонов (излучательные переходы)или переходит в теп­ловую энергию (безызлучательные переходы). Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации является сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при β<α), усиливается за счёт актов вынужденного испускания (сверхлюминесценция). Мощность W сверхлюминесценции зависит от размеров l среды вдоль направле­ния наблюдения. Сверхлюминесценция отличается от обычной люминес­ценции большей яркостью, более уз­ким спектром и частичной когерент­ностью. Для превращения сверхлюминесценции в генерацию когерентных волн необходимо наличие обратной связи, в результате которой электромагнитная волна, испущенная частицами инвертиро­ванной среды, многократно вызывает в этой среде новые акты вынужденного испускания точно таких же волн. В оптическом диапазоне обратную связь осуществляют применением той пли иной комбинации отражателей, напр. зеркал.
Лазер содержит три основных компонента: активную среду (активный элемент), в которой создают инверсию населённостей; устройство для создания инвер­сии в активной среде (система накач­ки); устройство для обеспечения поло­жит, обратной связи (оптический резона­тор). Простейший оптический резонатор (резонатор Фабри — Перо) состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно, В оптическом резонаторе мо­жет существовать множество собственных стоячих волн, отличающихся тем, что для каждой из них между зеркалами укладывается целое число полуволн.
Процесс генерации. После того как в активном элементе, расположенном внутри резонатора, достигнуто состоя­ние инверсии, в нём возникают многочисленные акты люминесценции. Фотоны вызывают в активной среде сверхлюминесценцию. Те фотоны, которые были первоначально испущены перпендикулярно оси резонатора, по­рождают лишь короткие дуги сверхлюминесценции в этих направлениях. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отра­жаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вы­зывая в нём акты вынужденного ис­пускания (рис. 2). Генерация начина­ется в том случае, когда увеличение анергии волны за счёт усиления превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Условия начала генерации (порог генерации) опреде­ляются равенством α₀–β₀=0, где α₀ — пороговое значение коэффициента уси­ления активного элемента, β₀ — коэффициент полных потерь электромагнитной энергии за один проход.
В начале возникновения генерации лазера в нём одновременно и независимо усиливается множество волн, порождённых отдельными фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. Фазы этих волн независимы между собой, но когерентность каждой из них и их интенсивность постоянно увеличиваются за счёт процессов вы­нужденного испускания. В ходе вза­имной конкуренции этих волн решаю­щую роль приобретает соотношение между λ и размерами резонатора. Во время первого пролёта усиливаются все фотоны, испущенные в результате спонтанных процессов. Однако после отражения от зеркал в преимущественном, положении оказываются лишь те фо­тоны, для которых выполняются усло­вия возникновения стоячих волн. Их длины волн соответствуют нор­мальным колебаниям резонатора — модам, интенсивность которых быстро увеличивается. В наиболее благопри­ятных условиях оказываются те из мод резонатора, для которых λ совпа­дает с вершиной спектральной, линии актив­ной среды или расположена вблизи её вершины. Интенсивность таких волн возрастает (вероятность вынужден­ного испускания пропорциональна интенсив­ности вынуждающей волны) лавино­образно, подавляя усиление волн, удалённых от вершины спектральной, линии. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора п содержащее лишь не­большое кол-во мод резонатора.
Для достижения наивысшей коге­рентности излучения стремятся к одномодовому режиму генерации, при котором в пределах спектральной, линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Для этого в резо­натор обычно вводят дополнительный селектирующий элемент (опти­ческую призму, дифракционную решётку, второй резонатор и т. п.), выделяю­щий одну из мод резонатора и подав­ляющий остальные. В длинноволновой части инфракрасного диапазона одномодовую генерацию можно получить уменьше­нием длины резонатора.
Схемы накачки. Рассмотрим задачу о том, каким образом в данной среде можно получить инверсию населённостей. Может показаться на первый взгляд, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты ν, определяемой выражением ν=(Е₂–Е₁)/h. Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2. поглощение преобладает над вынужденным из­лучением, т е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1→2, чем переходов 2→1, и можно на­деяться осуществить таким путем инверсию населённостей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда на­ступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N₂ = N₁), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.
Рис. 1
Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населённостей. Естественно, возникает во­прос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? В этом случае ответ будет утвердительным, и можно будет соответственно говорить о трёх- и четырёхуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровнен (рис. 1). В трёхуровневом лазере (рис. 1а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уро­вень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уро­вень 2, то в такой среде можно получить инверсию населённостей между уровнями 2 и 1. В четырёхуровневом лазере (рис. 1б) атомы также переводятся с основного уровни (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей. Когда в таком четырёхуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 2 на уровень 1. Поэтому для непрерывной работы четырехуров­невого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уров­не 1, очень быстро переходили на нулевой уровень.
Мы показали, каким образом можно использовать три или четыре энергетических уровня какой-либо системы для полу­чения инверсии населенностей. Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме (и будет ли она работать вообще!), зависит от того, насколько выполняются рассмотрен­ные выше условия. Может возникнуть вопрос: зачем исполь­зовать четырёхуровневую схему, если уже трёхуровневая ока­зывается весьма эффективной для получения инверсии насе­ленностей? Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергии между рабочими уровнями лазера (рис. 1) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана форму­лу почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как N_t,. то в случае трех­уровневой системы эти атомы первоначально будут находить­ся на уровне 1, Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень 3. Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незасе­ленным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести поло­вину атомов N_t, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населённостей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от об­щего числа атомов. Однако в четырехуровневом лазере, по­скольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет да­вать вклад в инверсию населённостей. Эти простые рассужде­ния показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырёхуровневой схеме. Для получения инверсии населённостей возможно, разумеется, использование и большего числа энергетических уровней.
Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня 0 на уровень 3 (в четырехуровневой схеме), называется накачкой. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде. Однако следует заметить, что если верхний уровень накачки пуст, то скорость, с которой верхний лазерный уровень 2 станет заселяться с помощью накачки , в общем случае можно записать в виде

Здесь N_g — населенность основного уровня (т. е. уровня 1 или 0 соответственно на рис. 1 а и б), а W_p — коэффициент, ко­торый называется скоростью накачки. Дли того чтобы до­стигнуть пороговых условий, скорость накачки должна превы­сить некоторое пороговое или критическое значение (W_кр).
Наиболее эффективным четы­рёхуровневым ионом является трёхвалент­ный ион неодима Nd³⁺ , введённый в состав специальных сортов стекла или кристаллов. Мощные газовые лазеры также обычно работают по четырёхуровневой схеме. Для возбуждения газовых лазеров оптическая накачка применяется редко, так как для газов существуют более эф­фективные методы: электрический разряд, газодинамическое истечение, химические реакции и др., обеспечивающие высокие мощности до сотни кВт. Возбуждение полупроводниковых ла­зеров производят непосредственно постоянным током (инжекционные лазеры), пучком электронов, оптической накачкой и др. (табл.).
Режимы генерации.
Импульсный ре­жим работы лазера обусловлен обычно импульсным режимом возбуждения, но может быть связан и с условиями генерации. Если не приняты специальные меры, то в режиме импульсного воз­буждения возникает так называемый режим свободной генерации, при котором процесс генерации развива­ется, как указано выше, а после прекращения импульса возбуждения генерация прекращается. В зависимо­сти от мощности и длительности им­пульса возбуждения начало генерации запаздывает относительно начала им­пульса возбуждения, и генерация мо­жет пойти на убыль, не достигнув стационарного состояния.
Особый практический интерес представ­ляет режим т. н. гигантских импульсов, для получения которых используется метод модуляции добротности резонатора лазера. Например, перед импульсом возбуж­дения лазера закрывают одно из зеркал резонатора специальным оптическим затво­ром, нарушая положительную обратную связь. В этих

условиях генерация невозможна и включение импульса возбуждения приводит к монотонному нарастанию инверсии в активной среде лазера. Величина энергии возбуждения, за­пасаемая в единице объёма активной среды, пропорциональна плотности активных частиц и ограничивается только процессом сверхлюминесценции. Открыв затвор в конце импульса возбуждения, то есть включая механизм обратной связи, создают условия быстрого развития генерации, которая реализуется в виде короткого мощного (гигантского) им­пульса. Длительность таких импуль­сов и их энергия зависят от скорости включения затвора и свойств активной среды. Обычные значения: длитель­ность 20—50 нс, энергия — от долей до сотен Дж.
Для получения сверхкоротких мощ­ных лазерных импульсов применя­ются затворы в виде кювет, наполнен­ных раствором специальных красителей, быстро (и обратимо) просветляющихся (выцве­тающих) под влиянием излучения ак­тивной среды. Такой затвор, поме­щённый в резонатор лазера, нарушает обратную связь. Импульс возбужде­ния вызывает накопление энергии в активной среде и возникновение сверх­люминесценции. Интенсивность хаотичных импульсов сверхлюминесценции быстро возрастает. Когда один из них окажется достаточно мощным, чтобы вызвать просветление затвора, возникает лавинообразное развитие генерации. При этом фазы генерации всех мод резонатора оказываются вза­имно связанными так, что все генери­руемые волны складываются, образуя сверхкороткий импульс, длительность которого может составлять всего едини­цы и даже доли не. Энергия, забирае­мая таким импульсом из активной сре­ды, обычно составляет лишь малую долю запасённой в среде энергии, поэтому первый импульс, отразив­шись от зеркал резонатора, многократ­но пробегает между ними, образуя последовательность сверхкоротких импульсов, следующих один за дру­гим через время, определяемое разме­рами резонатора (временем двойного пробега светового импульса между зеркалами). Применяя дополнительные устройства, удаётся выделить один из сверхкоротких импульсов.

Свойства лазерных пучков.

Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию свето­вых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Рас­смотрим теперь эти свойства подробнее