2. Лазеры

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура от Light Ampflicalion by Stimulated Emission Radiation, что означает « усиление света вынужденным излучением») - устройство, преобразующее различные виды энергии (световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн, уровня генерируемой мощности или энергии. Оно во многом определяется также тем, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение.

Тем не менее, любой лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов:

1. устройства, поставляющего энергию для переработки ее в когерентное излучение;

2. активной среды, которая «вбирает» в себя эту энергию и переизлучает ее виде когерентного излучения;

3. устройства, осуществляющего обратную связь.

В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания фотонов возбужденными квантовыми системами - атомами, молекулами, жидкостями и твердыми телами.

В качестве примера рассмотрим рубиновый и гелий - неоновый лазеры.

Рубин состоит из оксида алюминия Аl₂ O₃, содержащего в качестве примеси немного хрома Сr³⁺, придающего рубину характерный красный цвет.

Рис. 3. Некоторые уровни энергии атомов хрома в кристалле рубина

Энергетические состояния вблизи Е₂ и Е₃ являются полосами. Это означает, что состояние атома не связано с какой-то строго определенной энергией, а может иметь энергию в пределах некоторой полосы с центром в Е₂ или Е₃.

Излучение накачки (рис.3.) возбуждает две энергетические полосы Е₂ и Е₃. Т.к. эти полосы являются достаточно широкими, и белый свет от источника накачки содержит большое количество фотонов с энергиями внутри полос, то произойдет «накачка» этих полос. После этого возникает переход с каждой из этих полос в метастабильное состояние Е₁. Лазерным является переход Е₁ ® Е₀ с излучением в красной части спектра при 693,4 нм.

Для обеспечения направленности излучения кристаллу рубина придается форма цилиндра со строго параллельными торцовыми поверхностями (рис.4.)

Один торец посеребрен, и представляет собой хорошее зеркало. Другой покрыт серебром лишь частично. Индуцированные фотоны отражаются между параллельными зеркалами и накапливаются. Пучок образуется фотонами, которые вылетают через частично отражающий торец цилиндра.

Накачку осуществляет мощная разрядная лампа, навитая в виде спирали вокруг кристалла. Как только в процессе спонтанного перехода Е₁® Е_о образуется хотя бы один фотон, начинается лазерное действие.

Фотоны, движущиеся параллельно оси цилиндра, отражаются от посеребренных торцов и, повторно пересекая кристалл, стимулируют испускание дополнительных фотонов. Часть этих фотонов проходит через торец с полупрозрачным покрытием и формирует лазерный пучок. Большая часть спонтанно испущенных фотонов излучается под углом к оси цилиндра. Они отражаются внутри кристалла и в конце концов вылетают через боковую поверхность. Такие фотоны не дают вклада в лазерный пучок. Однако число фотонов, которые отражаются между торцами цилиндра, оказывается достаточным для поддержания действия лазера.

Рис. 4. Схема рубинового лазера

Лазер на рубине работает в импульсном режиме, т.к. непрерывный режим работы приведет к перегреву и кристалл растрескается.

Гелий - неоновый лазер является наиболее распространенным и наименее дорогим современным лазером. Он состоит из двух трубок, соединенных патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при низком давлении (рис.5).

Рис. 5. Схема гелий - неонового лазера

Первая трубка - лазерная, как и рубиновый лазер, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало на другом. Вторая трубка - разрядная - имеет электроды, присоединенные к источнику питания.

Накачка осуществляется по следующей схеме:

Рис.6. Схема накачки гелий-неонового лазера

После включения источника питания в системе возникает газовый разряд. Столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния В. Атомы газа находятся в непрерывном движении, и часто сталкиваются. Если атом Не в возбужденном состоянии В сталкивается с атомом Nе в основном состоянии, то энергия атома Не передается атому Nе, который переходит в метастабильное состояние С´. Переход С´ ® В´ является лазерным с испусканием красных фотонов с длиной волны 632,8 нм. Гелий - неоновый лазер, в отличие от рубинового, может работать в непрерывном режиме.