§ 5. Принцип действия и устройство лазера

 

Лазер – оптический квантовый генератор, абривиатура слов английской фразы: Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света вынужденным излучением». Лазер – устройство, преобразующее различные виды энергии – электрическую, световую, химическую, ядерную и т. д. в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Идея принципиально нового усиления и генерации электромагнитного излучения, применяемая в лазерах, принадлежит российским ученым Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, которые были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Любой лазер, работающий как генератор, состоит из трех основных элементов:

1)  активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2)  системы накачки – устройства для создания инверсии в активной среде;

3)  оптического резонатора – устройства, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили осуществлять инверсную заселенность по трехуровневой схеме, а в 1960 г. в США был создан первый такой твердотельный рубиновый лазер ( = 0,6943 мкм, создатель – Т. Мейман).

Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Aℓ₂O₃ с примесью оксида хрома Cr₂O₃ (0,030,05 %). В кристаллической решетке оксида алюминия определенная часть атомов Aℓ заменена ионами Cr³⁺. Активным веществом, в котором осуществляются вынужденные переходы, являются ионы Cr³⁺ (в рубине) (рис. 8.12). Ионы содержат ближайшие к уровню Cr две широкие энергетические полосы А и двойной метастабильный уровень В, переходы с которого на основной уровень С соответствуют длинам волн красного света 692,7 и 694, 3 нм.

При интенсивном облучении рубина зеленым светом мощной импульсной лампы, наполненной неоном и криптоном (лампа и есть устройство накачки), наблюдается переход ионов Хрома на уровни широкой полосы А, откуда наиболее вероятными являются безизлучательные переходы ионов на двойной уровень В с передачей избытка энергии решетке рубина. Таким образом, населенность уровня В будет превышать населенность уровня С, так как спонтанный переход с уровня В на С маловероятен.

Время пребывания на уровне В ~ 10^–3 с, что >>  = 10^–8c.

Если энергия вспышки велика настолько, что более половины ионов хрома оказываются в состоянии В, то инверсия между уровнями В иС приводит к вынужденному излучению (усилению света) в красной области спектра:  = 0,69 мкм.

Эффект усиления света можно увеличить путем многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой «усиливающей» среды. Эту задачу выполняет оптический резонатор, представляющий из себя совокупность нескольких отражающих элементов: а) 2-плоских параллельных зеркал (интерферометр Фабри-Перо); или б) 2-сферических зеркал; в) с добавками активных элементов – пластинок, линз, дифракционных решеток (составные резонаторы).

Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 8.13). На рис. 1 – активная среда; 2 и 3 – сплошное и полупрозрачные сферические зеркала. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных атомов, может вызвать индуцированное излучение фотонов, возбужденных накачкой среды. Фотон, движущийся параллельно оси зеркал рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (а). Часть этой лавины частично проходит через зеркало 3 наружу (б), а часть отразится от зеркала 2, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до зеркала 2 (в), она частично поглотится, но после отражения будет двигаться так же, как и первоначальный фотон. Таким образом, с помощью зеркал в лазере реализуется обратная положительная связь. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало, создает строго направленный пучок лучей света огромной яркости.

При настройке резонатора необходимо учитывать, что излучение индуцированное в генераторе является когерентным первоначальному излучению того самого первого фотона (рис. 8.13, а). Волновые свойства света требуют, чтобы волна, отразившаяся от зеркала и вернувшаяся в некоторую точку среды, имела  в этой точке ту же фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе отражений. Поэтому длина пути, который проходит волна между двумя отражениями, должна составлять целое число длин волн:

,                                                                                                        (8.13)

где n – 1, 2, ….

Формулу (8.12) можно рассматривать, как необходимое условие для усиления излучения.

В генерации и усилении света участвует только фотоны, летящие параллельно оси резонатора. Поэтому луч, вышедший из генератора, имеет острую направленность, но из-за явления дифракции существует угловой предел для расхождения лучей оптического квантового генератора:

 ,                                                                                                      (8.14)

где   – минимальный угол расхождения лучей;  – длина волны излучения; D – диаметр зеркала в резонаторе.   имеет порядок 10^–5–10^–6 рад.

Лазерное излучение обладает свойствами: 1) когерентно; 2) монохроматично (  м); 3) малое угловое расхождение; 4) большая плотность потока энергии.

Кпд лазеров колеблется от 0,01 до 75 %. Лазеры находят широкое применение в науке и технике.

Твердотельные лазеры на люминесцирующих средах (стеклах, рубина, активированных Nd) применяются в лазерной спектроскопии, нелинейной оптике, сварке, закалке, упрочнении поверхности.

Полупроводниковые лазеры имеют большой кпд и применяются как оптические стандарты частоты, в оптических линиях связи, для оптической обработки информации.

В медицине применяются N₂–CO₂ и CO – лазеры высокого давления; ионный аргоновый лазер.

Лазеры на красителях имеют основное достоинство – большой диапазон плавной перестройки частоты генерируемого излучения.

В настоящее время не угасает интерес к изучению взаимодействия лазерного излучения с различными объектами, к расширению областей применения излучения оптических квантовых генераторов.