Розділ іі Устрій, характеристики, класифікація, лазерів

2.1. Устрій і класифікація лазерів

Лазер – це квантовий генератор, джерело когерентного монохромного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону. Устрій лазеру, як правило, включає три елементи: джерело енергії (пристрій для «накачки» лазеру), тіло лазеру, система дзеркал (оптичний резонатор).

З законів квантової механіки випливає, що енергія атому може приймати тільки певні значення E0, E1, E2,..., En..., які називаються енергетичними рівнями. Найнижчий рівень E0, при якому енергія атому мінімальна (основний), інші, починаючи з E1, - збуджені і відповідають більш високій енергії атому: атом переходить з нижчого рівня на більш високий, поглинаючи енергію (як при взаємодії з фотоном, квантом електромагнітного випромінювання). При переході навпаки – атом випромінює енергію (у вигляді фотону). Енергія фотону Е = h дорівнює різниці початкового і кінцевого рівнів:

hnmn = Em – En (1)

де h = 6,626176·10–34 Дж·с – постійна Планка, n – частота випромінювання.

Атом у збудженому стані нестійкий: в середньому за 10–8 секунди у довільний момент він спонтанно повернеться у основний стан, випромінюючи фотон. Через випадковий характер переходів всі атоми випромінюють одночасно і незалежно, фази і напрямок руху випроменених ними електромагнітних хвиль не узгоджені (так працюють звичайні лампи розжарювання, газорозрядні трубки, Сонце та ін.: їх спонтанне випромінювання є некогерентним. Але атом може також випромінювати фотон не спонтанно, а під дією електромагнітної хвилі, частота якої є близькою до частоті переходу атому, що визначається формулою (1):

n21 = (E2 – E1)/h. (2)

Така резонансна хвиля ніби «розгойдує» атом, збиваючи його з верхнього енергетичного рівня на нижній: відбувається вимушений перехід, за яким випромінена атомом хвиля має ту ж частоту, фазу і напрямок поширення, що й первинна. Ці хвилі когерентні. Їх складання дає збільшення інтенсивності сумарного випромінювання, або кількості фотонів. Зазвичай кількість атомів в основному стані набагато більше, ніж збуджених, тому світлова хвиля, проходячи через речовину, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання при цьому падає, підкорюючись закону Бугера:

Il = I0e–kl, (3)

де I0 – вихідна інтенсивність, Il – інтенсивність випромінювання, яке пройшло відстань l у речовині з коефіцієнтом поглинання k. З рівняння помітно, що середовище поглинає світло дуже інтенсивно – відповідно до експоненціального закону.

Речовина, у якій збуджених атомів набагато більше, ніж в основному стані, називається активною. Кількість атомів на певному рівні En називається заселеністю рівня, а ситуація, коли E2 > E1 – інверсною заселеністю. Нехай, активною речовиною проходить електромагнітна хвиля, частота якої  = 21. Тоді, за рахунок випромінювання при вимушених переходах E2  E1 (яких значно більше, ніж поглинання E1  E2), буде відбуватися її посилення. З точки зору квантової механіки це означає: кожен фотон, який пролетів крізь речовину, викликає появу такого самого фотону. А разом вони спричиняють появу ще двох фотонів, ці чотири – вісім і т.д. – у активній речовині виникає фотонна лавина. Таке явище призводить до експоненціального закону зростання інтенсивності випромінювання. Він записується аналогічно законом Бугера (3), але з коефіцієнтом квантового підсилення  замість –k:

Il = I0eal (4)

В реальності такого не відбувається: у реальних речовинах завжди присутні фактори, які викликають втрату енергії електромагнітної хвилі. Тому у підсумку, можна домогтися посилення хвилі хоча б в десятки разів, тільки збільшивши довжину її пробігу в активному середовищі до декількох метрів, що здійснити нелегко. Але є й інший шлях: активну речовину розташувати між двома паралельними дзеркалами (резонатор). Багаторазово відбиваючись у них, хвиля пройде достатню для великого посилення відстань, якщо, звичайно, число збуджених атомів буде залишатися достатньо великим (збережеться інверсна заселеність). Інверсну заселеність можна здійснювати і підтримувати за допомогою окремого джерела енергії, яке мов би «накачує» нею активну речовину. Таким джерелом може бути потужна лампа, електричний розряд, хімічна реакція і т.п. Крім того потрібно, аби атоми на одному з верхніх енергетичних рівнів залишалися достатньо довго, аби їх там накопичилося близько 50% від загальної кількості атомів речовини. Для цього необхідно мати, як мінімум, три рівні енергії робочих частинок (атомів або іонів).

Трирівнева схема генерації випромінювання працює наступним чином: накачування переводить атоми з нижнього енергетичного рівня E0 на верхній E3, звідки вони спускаються на рівень E2, де можуть перебувати досить довго без спонтанного випускання фотонів (метастабільний рівень). І тільки під впливом електромагнітної хвилі атом повертається на основний рівень E0, випускаючи вимушене випромінювання частотою n = (E2 – E0)/h, яке когерентне вихідній хвилі.

Умови створення інверсної населеності й експериментального виявлення вимушеного випромінювання сформулював німецький фізик Р. Ланденбург в 1928 і незалежно від нього російський фізик Фабрикант у 1939 році. Вимушене випромінювання у вигляді коротких радіоімпульсів вперше спостерігали американські фізики Е. Парселл і Р. Паунд у 1950р. У 1951р. Фабрикант зі співробітниками подав авторську заявку на «спосіб посилення електромагнітного випромінювання шляхом проходження підсиленого випромінювання через середовище з інверсної населеністю». Опубліковано її було лише у 1959, і ніякого впливу на хід робіт по створенню квантових генераторів вона вчинити не змогла. Тому що принципову можливість їх побудови почали обговорювати вже на початку 1950-х незалежно один від одного в СРСР і США. А у 1954-1956 було розроблено і сконструйовано перший квантовий генератор радіодіапазону ( = 1,25 см), у 1960 – лазер на рубіні та газовий, а два роки потому – напівпровідниковий.

У якості джерела енергії, яке визначає спосіб «підводу» енергії до системи та в свою чергу залежить від робочого тіла, можна використовувати імпульсну, дугову лампу, інший лазер, енергію хімічної реакції, енергію спалаху, електричний розряд.

Робоче тіло лазеру – основний фактор визначення довжини хвилі та деяких інших властивостей лазеру. Робоче тіло під впливом джерела енергії «накачується» для отримання ефекту інверсії електронних ділянок, це викликає примушене випромінювання фотонів та ефект оптичного посилення.

У лазерах використовуються робочі тіла чотирьох типів:

• рідини – у лазерах на барвниках (органічний розчинник – метанол, етиленгліколь – з розчином хімічного барвника кумаріна, родаміна та ін.);

• гази – аргон, вуглекислий газ, газові суміші – їх накачування здійснюється за допомогою електричних розрядів;

• тверді тіла – кристали (алюмо-іттрієвий гранат, сапфір), скло, ліговані (тобто, активовані) іонами хрому, тітану або неодиму – накачуються за допомогою імпульсних ламп або інших лазерів;

• напівпровідники – матеріали, у яких перехід електронів між енергетичними рівнями супроводжується випромінюванням. Найбільш компактний вид лазерів для використання у побуті.

Речовини, які використовуються в лазерах у якості активного середовища, називаються лазерними матеріалами. Вони багато в чому визначають потужність, довжину хвилі випромінювання, довжину імпульсу для імпульсних лазерів. В цій якості використовували згадувані вже суміші гелію та неону, силікатне скло з домішками іонів неодиму (вперше використане у 1961р.), арсенід галію (1962р.). На початок 70-х років ряд лазерних матеріалів сягав близько 200 найменувань! Класифікація лазерних матеріалів включає тверді (кристалічні аморфні, напівпровідникові); рідини (в т.ч. розчини органічних барвників); газоподібні (гази, їх суміші, пара металів); плазму (збуджена плазма в парі металу), лазерний промінь можна отримати навіть від струменя реактивного двигуна або ядерного вибуху. Такий матеріал має володіти наступними характеристиками:

• набір енергетичних рівнів (ділянок), які дозволяють сприймати енергію ззовні для перекидання електронів та з максимальним виходом перетворювати її на електромагнітне випромінювання;

• висока оптична однорідність;

• висока теплопровідність;

• низький коефіцієнт термічного розширення;

• постійність складу та характеристик в умовах роботи;

• для твердих матеріалів – висока здатність до механічної обробки.

Оптичний резонатор – третій основний елемент лазеру. Найпростіший варіант – пара паралельних дзеркал навколо тілу лазера. Примусове випромінювання робочого тіла, віддзеркалюючись від стінок дзеркал, повертається до протилежного дзеркала – і так багато разів, посилюючись у рази. Віддзеркалюючись багаторазово, така хвиля виходить назовні. Використовуються багатошарові системи резонаторів, де застосовується два, чотири і більше шарів дзеркал, оскільки від якості системи резонансу залежить якість самого лазеру. Дзеркало – умовне позначення поверхні резонатору: у твердотільних лазерах дзеркальну поверхню формують поліровані торці активного елементу, в газових та рідинних лазерах – торці ємкості з робочим тілом.

Для здійснення виходу випромінювання одне з дзеркал системи роблять напівпрозорим.

Одним з варіантів поділу лазерів на класи є типізація на підсилювачі та генератори. На виході підсилювача з’являється лазерне випромінювання, коли на його вхід (а саме він вже знаходиться у збудженому стані) надходить слабкий сигнал на частоті переходу. Він стимулює збудженіі частинки до віддачі енергії. Відбувається наростаюче посилення. Отже, на вході – слабке випромінювання, на виході – посилене.

Генератор працює дещо по-іншому. На його вхід не спрямовують випромінювання, а збуджують активну речовину пристрою. Причому якщо активна речовина знаходиться в перезбужденому стані, це стимулює істотне зростання кількості мимовільних переходів однієї або декількох часток з верхнього рівня на нижній. Виникає стимульоване випромінювання.

Другий підхід до класифікації будується на фізичному стані активної речовини. З цього боку лазери бувають твердотільними   (вже згадувані вище рубіновий, скляний або сапфіровий), газовими   (вищезазначені гелій-неоновий, аргоновий і т.п.), рідинними (як-от на органічних барвниках), а якщо в якості активною речовиною виступає напівпровідниковий перехід, то лазер називають напівпровідниковим.

Третій підхід до класифікації пов'язаний зі способом збудження активної речовини. Розрізняють лазери: з порушенням стабільного стану за рахунок оптичного випромінювання; з порушенням потоком електронів; з порушенням сонячною енергією; зі збудженням за рахунок енергій вибухових коливань; за допомогою хімічної енергії; з порушенням з допомогою ядерного випромінювання.

Розрізняють також лазери за характером випромінюваної енергії та її спектрального складу. Якщо енергія випромінюється імпульсно,- говорять про імпульсні   лазери, якщо безперервно, - називають лазером з безперервним випромінюванням. Є лазери і зі змішаним режимом роботи, наприклад, напівпровідникові. Якщо випромінювання лазера зосереджено у вузькому інтервалі довжин хвиль, лазер називають монохроматичним,   якщо в широкому інтервалі, то говорять про широкосмуговий лазер.

Ще один вид класифікації зосереджується на використанні поняття вихідної потужності. Лазери, з безперервною (середньою) вихідною потужністю понад 10⁶ Вт, називають високопотужними. При вихідний потужності діапазону 10⁵ ... 10³ Вт, - маємо лазери середньої потужності. Якщо ж вихідна потужність менше 10^-3 Вт, то говорять про малопотужні   лазери.

В залежності від конструкції відкритого дзеркального резонатору розрізняють лазери з постійною добротністю і лазери з модульованою добротністю (одне з дзеркал може бути розміщено, наприклад, на осі електродвигуна, що обертає дзеркало – в такому разі добротність резонатора періодично змінюється від нульового до максимального значення; такий лазер називають лазером з Q-модуляцією).

Однією з характеристик лазерів є довжина хвилі випромінюваної енергії. Діапазон хвиль випромінювання лазера сягає від рентгенівського ділянки – і до далекого інфрачервоного (від 10^-3 до 10² мкм). За областю 100 мкм лежить, іншими словами, «цілина». Але вона тягнеться тільки до міліметрової ділянки, яка освоюється радістами. Неосвоєний шар безперервно звужується, і є надія, що його подолання завершиться найближчим часом. Треба зазначити, що частка, що припадає на різні типи генераторів, неоднакова: найширший діапазон у газових квантових генераторів.

Також важливою характеристикою лазерів є енергія імпульсу, яка вимірюється в джоулях і найбільшої величини досягає у твердотільних генераторів – близько 10³ Дж.

Третьою характеристикою є потужність. Газові генератори, випромінюючі безперервно, мають потужність від 10^-3 до 10² Вт. Міліваттну потужність мають генератори, які використовують в якості активного середовища гелій-неонову суміш. Потужність порядку 100 Вт мають генератори на CO2. З щільноструктурними генераторами дане питання має особливий бік. Наприклад, якщо взяти випромінену енергію в 1 Дж, зосереджену в інтервалі в одну секунду, то потужність складе 1 Вт. Але тривалість випромінювання генератора на рубіні становить 10^-4 с, отже, потужність становить 10000 Вт, тобто 10 кВт. Якщо ж тривалість імпульсу зменшена за допомогою оптичного затвору до 10^-6 с,- потужність складає 10⁶ Вт, тобто мегават. Це не межа! Можна збільшити енергію в імпульсі до 10³ Дж і скоротити її тривалість до 10^-9 с, і тоді потужність досягне 10¹² Вт. Відомо, що коли на метал наводиться промінь інтенсивністю 10⁵ Вт / см², то починається плавлення металу, при інтенсивності 10⁷ Вт / см² - кипіння металу, а при 10⁹ Вт / см² лазерне випромінювання починає сильно іонізувати пари речовини, перетворюючи їх на плазму.

Ще одна важлива характеристика лазера – розпорошеність променю. Найбільш вузький промінь мають газові лазери: він становить величину до кількох кутових хвилин. Розбіжність променю щільноструктурних лазерів близько 1 – 3 кутових градусів. Напівпровідникові лазери мають пелюсткове випромінювання: в одній площині близько одного градуса, в іншій – близько 10 – 15 кутових градусів.

Діапазон довжин хвиль, в якому зосереджено випромінювання, тобто монохроматичність – наступна важлива характеристика лазера. У газових лазерів монохроматичність дуже висока (10^-10, тобто значно вище, ніж у газорозрядних ламп, використовуваних раніше як стандарт частоти). Щільноструктурні лазери, і особливо напівпровідникові, мають значний діапазон частот, тобто не відрізняються високою монохроматичністю.

Важлива характеристика лазерів також і коефіцієнт корисної дії (ККД). У щільноструктурних він складає 1 – 3,5%, у газових 1 – 15%, у напівпровідникових – 40 – 60%. Разом з тим, застосовуються усілякі заходи для підвищення ККД лазерів, оскільки його низький показник призводить до перегрівання, а звідси – і необхідності охолодження лазерів до температури 4-77 К, а це відразу ускладнює конструкцію апаратури.