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

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Газовый лазер — оптический квантовый, генератор с газообразной активной средой. Газ, в котором за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический резонатор или прокачи­вается через него. В резонаторе воз­буждённые на верхний лазерный уро­вень частицы газа в результате вынужден­ных переходов на нижний уровень излу­чают. Часть электромагнитного излучения выво­дится из резонатора наружу. В тех случаях, когда время жиз­ни верхнего лазерного уровня мало, а коэффициент усиления велик, генерирует­ся не вынужденное излучение, а уси­ленное спонтанное излучение (супер­люминесцентные газовые лазеры или газовые лазеры на сверхсветимости, характерные для УФ диапазона).
Семейство газовых лазеров многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн λ, от УФ области спектра до субмилли­метровых волн. Большинство газовых лазеров работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют по­лучать большие выходные мощности при высокой направленности излуче­ния и стабильности его частоты.
Особенности газовых лазеров. Газы по сравнению с конденсированными средами обладают боль­шей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажа­ется и рассеивается. В результате на­правленность излучения газовых лазеров дости­гает предела, обусловленного дифрак­цией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча газового лазера в видимом диапазоне ~10^-5—10^-4 рад. В ИК диапазоне ~10^-4—10^-3 рад.
Благодаря малой плотности газа ширина спектральной, линии обусловлена главным образом доплеровским уширением, величина которого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих свойства доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты.
Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высо­кой плотности возбуждённых частиц, которая характерна для твёрдых тел и жидко­стей. Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако пере­ход к более высоким давлениям и соз­дание быстропроточных газовых лазеров резко увеличили их мощность (см. дальше).
Специфика газов проявляется в раз­нообразии типов частиц, уровни которых используются для возбуждения гене­рации (нейтральные атомы, ионы, неустойчи­вые молекулы). Поэтому процессы, используемые для создания инверсии населённостей, в газовом лазеров весьма много­образны. К их числу относятся элек­трический разряд, химическое возбуждение, фотодиссоциация, газодинамические процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Оптическая накачка с помощью газо­разрядных ламп, применяемая в жид­костных и твёрдотельных лазерах, ма­ло эффективна для большинства газовых лазеров, т. к. газы обладают узкими линиями поглощения.
В подавляющем большинстве газовых лазерах инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразряд­ные лазеры). Электроны, образую­щиеся в разряде при столкновениях с частицами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. перево­дят на более высокие уровни энергии. Возбуждение электронным ударом обычно сочетается в газовых лазерах с другим меха­низмом возбуждения — резонансной передачей энергии частицам одного сорта (рабочим частицам) от добавляемых частиц другого сорта (вспомо­гательных) при неупругих соударени­ях.
Лазеры на нейтральных атомах. Исторически первым газовым лазером, появив­шимся в 1961 (американский физик А. Джаван), был гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере ра­бочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. В электрическом разряде часть атомов Nе переходит с основного уровня ε₁ на возбуждённый верхний уровень энергии ε₃ (рис. 6). Но в чистом Nе время жизни на уровне мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни ε₁ и ε₂, что препятствует созданию доста­точно высокой инверсии населённостей (превышающей порог генерации) для пары уровней ε₂ и ε₃. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень атома Не совпадает с верхним, уровнем ε₃ неона. Поэтому при столкновении возбуж­дённых электронным ударом атомов Не, с невозбужденными атомами Nе (с энергией ε₁) происходит передача возбуждения, в результате которой ато­мы Nе будут возбуждены на уровень ε₃, а атомы Не возвращаются в основное состояние. При достаточно большом числе атомов Не в газовой
Рис. 6
смеси можно добиться преимущественного заселе­ния уровня ε₃ неона. Этому же спо­собствует опустошение уровня ε₂ неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки (рис. 7). Для эффективного опустошения уровня ε₂ диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает число атомов Nе и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зре­ния максимальной, мощности генерации является диаметр трубки около 7 мм при давлении 1 мм рт.
Рис. 7
ст. и определённом соотношении Nе и Не (1 : 10).
Уровни неона ε₂ и ε₃ обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и ИК излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия. Это позволяет создать необходимый коэффициент отраже­ния для заданной длины волны и воз­будить тем самым в газовом лазере генерацию на требуемой частоте.
Мощность генерации гелий-неоново­го лазера достигает всего десятых до­лей Вт при кпд ≤ 0,1%. Тем не менее высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых газовых лазеров. Красный гелий-неоновый лазер (λ=0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты.
Со времени появления гелий-неоно­вого лазера генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических эле­ментов. Возбуждение непрерывной ге­нерации происходит в положительном столбе тлеющего разряда при плотности тока j~100—200 А/см². Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см², а в случае им­пульса с крутым фронтом — сотен и тысяч А/см², что создаёт высокую пи­ковую мощность генерации.
Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем газовые лазеры на нейтральных атомах. Генерация на ионизированных газах впервые получена американским фи­зиком У. Б. Бриджесом в 1964. Инверсия населённостей создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Относительно боль­шая концентрация ионов обеспечи­вается высокой плотностью тока, который в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см². Поэтому электрический раз­ряд осуществляется в тонких капил­лярах (диаметр до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью (например, из бериллиевой керамики). Кпд ионных лазеров невысок (≤0,1%).
Генерация наблюдается на 440 пере­ходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (несколько сотен Вт) получена в сине-зелёной области спек­тра (λ= 4880 мкм, λ= 0,5145 мкм) на ионах Аг²⁺, в жёлто-красной (0,5682 мкм, 0,6471 мкм) на ионах Кr²⁺, на УФ линиях Ne²⁺, Аr³⁺ и Кr³⁺. Выходная мощность ионных газовых лазеров резко зависит от тока разряда I (рис. 8).
Рис. 8
Ионные газовые лазеры применяются в физических исследованиях, в оптической связи и лока­ции ИСЗ, в технологии, фотобиологии и фотохимии и в лазерном разделении изотопов.
Лазеры на парах металлов. В особую обширную группу выделяются газовые лазеры на парах металлов (атомы и ионы), перспективные для получения высоких кпд. Для получения высокого кпд необходимо, чтобы опустошение нижнего лазерного уровня происходило не за счет спонтанных переходов, а в ре­зультате столкновений с атомами и молекулами (столкновительные газовые лазеры). Атомы некоторых металлов обладают благоприятной для этого структурой уровней. Для них квантовый выход может достигать 0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наи­лучшие результаты получены для газовых лазеров на парах Cu (уровни Cu⁺): λ= 510,5 нм, λ= 578,2 нм, средняя мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, кпд ~1%. Чрезвычайно высокий коэффициент усиле­ния позволяет использовать их в качестве квантовых усилителей света (без резона­тора). На этом основан лазерный проекционный микроскоп.
Распространены также газовые лазеры на па­рах Сd (уровни Cd²⁺). Инверсия насе­лённостей образуется в результате пе­редачи энергии от возбуждённых атомов Не. Гелий-кадмиевый газовый лазер в не­прерывном режиме позволяет получить мощность генерации 10—50 мВт на линии λ=441,6 нм (синяя область) и несколько мВт на линии λ= =3250нм (УФ область) при кпд 0,1%.
Молекулярные лазеры являются наиболее мощными газовыми лазерами и обладают высоким кпд. Первый возбуждённый уровень атома или иона обычно имеет энергию, равную ½ энергии ионизации (поряд­ка нескольких эВ), остальные уровни распо­ложены выше, сгущаясь к ионизационному пределу. Поэтому боль­шинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновремен­но много уровней. В результате квантовый выход и кпд невелики.
Молекулы, в отличие от атомов, кро­ме электронных уровней имеют колебательные н вращательные уровни энергии. Расстояния между нижними колебательными уров­нями часто малы (10^–1—10^–2 эВ), по­этому можно возбудить только коле­бания молекул, не «затрагивая» электроны. У многоатомных молекул существует несколько типов колебаний. Излучательные переходы между уровнями одинакового типа дают квантовый выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебательных уровней, большой квантовый вы­ход и селективность резонансной пере­дачи энергии позволяют достичь в молекулярных газовых лазерах кпд ~20—25%.
Генерация наблюдается на колебательно-вращательных переходах 23 молекул. Наиболее интересны молекулярные лазеры на СО₂ (λ=9,4 мкм, λ=10,6 мкм). В газо­разрядных СО₂-лазерах электроны в тлею­щем разряде возбуждают колебательные уровни молекул СО₂ и N₂. Инверсия населённостей достигается электрон­ным ударом и резонансной передачей возбуждения. Молекулы N₂ при столк­новении с молекулами СO₂ передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень. Высокая инверсия насе­лённостей достигается при введении в газовую смесь кроме N₂ других газов, опустошающих нижний лазерный уро­вень (Не, Н₂О). Давление газа р и диаметр разрядной трубки D ограничены условием устойчивости горения разря­да и необходимостью теплоотвода. По­этому достижимая мощность излуче­ния ~1 кВт.
Рис. 9
В более мощных СО₂-лазерах ис­пользуется схема с поперечным разря­дом и непрерывной прокачкой газа (рис. 9). При этом давление р газа и плотность тока j ограничены только устойчивостью газового разряда. Пе­реход к несамостоятельному разряду (иониза­ция газа обеспечивается электронным пучком, УФ излучением и др.) позво­ляет возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях (до 20— 50 атм). Быстропроточные СО₂-лазеры с поперечным несамостоятельным разрядом генерируют излучение мощностью в де­сятки кВт при кпд ~15—20%.
Возможность импульсно возбуждать большие объёмы газа при высоких дав­лениях привела к созданию импульс­ных СО₂-лазеров с энергией излуче­ния до 10 тыс. Дж в импульсе. Быстропроточные газовые лазеры используются в тех­нологии, а импульсные СО₂-лазеры— для разделения изотопов.
Помимо электрического разряда в молекулярных газовых лазерах для возбуждения генерации ис­пользуются другие методы. Они реализуются в газодинамических, химических и эксимерных лазерах, рассмотренных ниже.