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

Лазерные среды твердотельных лазеров. К 1982 ла­зерный эффект обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов с примеся­ми. Среди них можно выделить группу так называемых оксидных лазерных кристаллов [например, рубин , итриево-алюминиевый гранат, активирован­ный ионами неодима: Y₃Аl₅О₁₂(Nd³⁺), ниобат никеля NiNbO₃(Nd³⁺)] и группы фторидных кристаллов [LiYF₄(Nd³⁺), LiHoF₄(Nd³⁺) и др.]. Большинство твердотельных лазеров излучает в диапа­зоне λ от 1 до 3 мкм. Для улучшения параметров, в частности повышения кпд, в кристалл наряду с рабочими ионами — активаторами добавляют ионы — сенсибилизаторы. Их роль сводится к поглощению энергии и пе­редаче возбуждения рабочим ионам.
Для создания малогабаритных лазеров применяются кристаллы, в которых активные ионы входят в со­став кристаллической решётки (например, пентафосфат неодима), а не вводятся в ка­честве примесей. В таких кристаллах потери энергии из-за концентрации ту­шения уменьшены за счёт упорядочен­ного расположения активных ионов и фиксированных расстояний между ни­ми. При этом концентрация активных ионов может превышать 20% , в то вре­мя как в примесных кристаллах она не превышает 5% из-за большой вероят­ности образования близких пар, для которых безызлучательные потери осо­бенно велики.
Другим типом активных веществ для твердотельных лазеров являются смешанные разупорядоченные системы (твёрдые растворы). При этом примесные атомы входят в состав многих различных активационных цент­ров. В результате этого спектры пог­лощения вещества состоят из широких по­лос, что увеличивает кпд. К смешан­ным кристаллическим средам по свойствам примы­кают стёкла.
Режимы работы. Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме. Если для накачки лазера используется лам­па с длительностью импульса ∆t_н ~ 10^–3 с, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала гене­рации по сравнению с импульсом накачки обусловлено тем, что для развития генерации необходимо пре­высить пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один «проход» рабочего объёма начи­нает превышать суммарные потери энергии в зеркалах резонатора за счёт поглощения и рассеяния света, а также за счёт полезного излучения. Режим работы лазера, когда длитель­ность лазерного импульса ∆t_л≈∆t_н, называют режимом свободной генерации. Он характеризуется тем, что импульс генерации состоит из совокупности множества хаотически коротких (10^–6 с) пичков (пичковый режим).
Для ряда применений важно сокра­тить ∆t_л, т. к. при заданной энергии импульса пиковая мощность возра­стает с уменьшением его длительнос­ти. Для этого служит так называемый метод модулированной доброт­ности, основанный на включении резонатора лазера специальным затвором. Оптическую накачку осуществляют при закрытом затворе, накапливая энер­гию в активном веществе в виде нара­стающего количества возбуждённых ионов. Затем быстро открывают зат­вор, включая резонатор. При этом вся запасённая в активном элементе энергия возбужде­ния (или большая её часть) высвечи­вается в виде короткого светового импульса, длительность которого опре­деляется скоростью открывания зат­вора или, если время открывания зат­вора достаточно мало, временем уста­новления электромагнитного поля в резонаторе. С помощью оптического затвора обычно получают ∆t_л ~10^–7—10^–8 с. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности вследствие потерь на сверхлюминесценцию оказывается меньшей, чем в режиме свободной ге­нерации. Однако выигрыш в мощности за счёт уменьшения ∆t_л достигает нескольких порядков.
Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи про­светляющих фильтров. В них приме­няются слабые растворы красителей, кон­центрация которых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось вы­равнивание населённости соответст­вующих энергетических уровней (насыщение), при котором раствор стано­вится прозрачным. Введение в резонатор про­светляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накаплива­ются возбуждённые частицы, соответствен­но растёт интенсивность спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию гене­рации. При достижении уровня про­светления раствор становится прозрач­ным, и генерируется серия сверхко­ротких импульсов, интервалы между которыми определяются временем про­хождения света между зеркалами резо­натора. Длительность генерируемых импульсов имеет порядок менее 10^–9 с, при энергии в несколько Дж, что соответствует мощности более 10¹⁰ Вт. Лазером на стекле с примесью Nd гене­рируют последовательность импульсов с длительностями 10^–11—10^–12 с.
Энергия сверхкоротких импульсов невелика. Её можно значительно уве­личить при помощи одного или нескольких лазеров, работающих в режиме усиления. При этом достигается пиковая мощ­ность 10¹³—10¹⁴ Вт при расходимости пучка, близкой к дифракционной.
Режим синхронизации мод можно осуществить амплитудной или фазовой модуляцией оптического резонатора. Моду­лируются пропускание выходного зер­кала или расстояние L между зерка­лами с частотой, равной частоте межмодовых биений Ω=с/2L. Этот метод используется в лазерах с непрерывной накачкой, излучение которых представ­ляет собой непрерывную последова­тельность импульсов длительностью ∆t ≤1 нс, следующих друг за другом с частотой Ω.
Непрерывный режим генерации в твердотельных лазерах возможен только в активных веществах, работающих по четырёх­уровневой схеме. При этом нижнем уровнем рабочего перехода являются не основной уровень Е₁, а промежуточный уровень Е₂, энергия которого должна превосходить kТ с тем, чтобы его равновесная населённость была ма­лой. Время безызлучательной ре­лаксации с этого уровня тоже должно быть малым, иначе лазерный переход Е₃ →Е₂ будет насыщаться при ма­лой мощности генерации. Лазеры непрерывного дейст­вия осуществлены на кристалле Y₂Аl₅O₁₂(Nd³⁺), СаF₂(Dy³⁺) и др. Мощность генерации лазеров непрерыв­ном режиме на кристаллах алюминиево-иттриевом гранате и на стекле с Nd достигает сотен Вт. Возможен также режим генерации импульсов с большой частотой повторения, для Y₂Аl₅O₁₂(Nd³⁺) до нескольких кГц.
Спектр излучения твердотельных лазеров (если не принимать специальных мер) сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовый режим генерации. Вве­дением в оптический резонатор селектирую­щих элементов удаётся получать одномодовую генерацию с узким спектром. Новые возможности для создания лазеров с перестраиваемой частотой в широких пределах связаны с использованием в качестве активной среды ионных крис­таллов (например, фторидов) со сложными центрами окраски. Это позволило расширить область генерации в ИК об­ласть до λ ~ 3,5 мкм.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Применения лазеров многообраз­ны. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале мо­жет быть использована двояко: 1) нерезонансное взаимодействие мощных све­товых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах (лазерная технология, лазерный термоядерный синтез и др.); 2) селективное воздей­ствие на атомы, ионы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимических реакции (лазерная хи­мия, лазерное разделение изотопов и др.). Для лазерного способа ввода энергии в вещество характерны точная локализация, дозированность и сте­рильность. Технологические процессы (сварка, резка и плавление металлов) осуществляются главным образом газовыми лазерами, обладающими высокой средней мощно­стью. В металлургии лазер позволяет получить сверхчистые металлы, вып­лавляемые в вакууме или в контролируемой газовой среде. Для точечной сварки используются и твердотель­ные лазеры. Сверхкороткие импульсы при­меняются для изучения быстропротекающих процессов, сверхскоростной фотографии и т. п. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов ча­стоты, лазерных сейсмографов, гра­виметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой (например, лазеры на красителях) про­извели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов.
Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели, при лечении глазных и кожных заболеваний и др. Лазерные локаторы позволяют конт­ролировать распределение загрязне­ний в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы. Лазер­ная локация планет уточнила значе­ние астрономической постоянной и способ­ствовала уточнению систем космической навигации, расширила знания об ат­мосферах и строении поверхности пла­нет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазер­ная локация существенно уточнила характеристики движения Луны и планеты Венера по сравнению с астрономическими данными.
С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики, как нелинейная оптика и голография, Проблему управляемого термоядер­ного синтеза пытаются решить путём использования лазера для нагрева плаз­мы.

Список использованной литературы

1. 
   Шавлов А., Фогель С., Далберджер Л., Оптические квантовые генераторы (лазеры), пер. с англ., М., 1962;
   
2. 
   Звелто О., Принципы лазеров: пер. с англ. — 3-е перераб. и доп. изд. — М.: Мир, 1990. — 560 с., ил.
   
3. 
   Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978;
   
4. 
   Лазеры на красителях, под ред. Ф. П. Шефера, М., 1976;
   
5. 
   Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, «УФН», 1965, т. 85, в. 4;
   
6. 
   Елецкий А. В., Эксимерные лазеры, «УФН», 1978, т. 125, в. 2;
   
7. 
   Химические лазеры, под ред. Н. Г. Басова, М., 1982.