2.1.3. Усилитель с обратной связью
Вынужденное излучение, являющееся процессом усиления света, технически реализуется, в зависимости от генерируемой длины волны света, в следующем виде:
лазера (LASER – усиление света путем вынужденного излучения);
мазера (MASER – микроволновое усиление путем вынужденного излучения);
гразера (GRASER – усиление гамма-лучей путем вынужденного излучения).
Основой в технологии усиления явилась разработка Мейсснером усилителя с обратной связью, в котором часть выходного сигнала подавалась на вход усилителя и на относительно слабых усилителях удалось обеспечить высокое общее усиление. По аналогии с высокочастотным передатчиком (радио, ТВ) лазер также состоит из усилителя (вынужденное излучение) и обратной связи (зеркало) (рис. 33).
Рис. 33. Высокочастотный усилитель с обратной связью
Если энергия, приложенная через усилитель к колебательному контуру (оптическому резонатору из двух зеркал) превышает потери энергии в самом колебательном контуре, то теоретически исходящий из системы сигнал будет бесконечно большим. На практике он принимает конечные значения и становится независимым от входного сигнала, т.е. из усилителя с обратной связью с конечным усилением получился самовозбуждающемся генератор. Это состояние самовозбуждения может быть достигнуто в таком усилителе и без прямого входного сигнала вследствие собственного шума (спонтанного излучения). Это начало действия лазера.
Таким образом для создания лазера необходимо иметь материал – лазерную среду, в которой эффект вынужденного излучения производит достаточно высокое усиление. Эти среды представляют собой усилитель. Излучаемый из лазерной среды свет, с помощью зеркал снова отражают в лазерную среду. Такое расположение зеркал называют резонатором.
2.1.4. Процесс лазерного излучения
Процесс вынужденного излучения является основой лазерного усиления. Для его реализации необходимо электрон в атоме, ионе, молекуле перевести с более низкого (основного) на более высокий энергетический уровень, причем этот переход необходимо обеспечить у большого числа атомов. Число атомов, имеющих более высокий верхний лазерный уровень, должно быть всегда больше заселенности низкого лазерного уровня. Это явление называют инверсией населенности. Облучение светом (оптическая накачка) системы только с двумя уровнями даже при значительной интенсивности накачки дает одинаковую населенность обоих уровней, т.к. большая интенсивность облучения кроме поглощения, т.е. заселения верхнего энергетического уровня приводит ко многим эмиссиям, а, следовательно, к снижению заселенности верхнего уровня, и инверсия населенности не может быть достигнута. Поэтому используются лазерные системы с 3 и 4 уровнями.
Если в системе с тремя энергетическими уровнями (рис. 34, а) производится накачка с уровня 1 на уровень 3, то при спонтанной эмиссии, т.е. распаде верхнего уровня, может быть населен уровень 2, и, если он долгоживущий, то величина его населенности увеличится, и при очень интенсивной накачке она будет намного больше, чем на уровне 1.
Однако, когда лазер начнет работать, инверсия населенности 2 уровня быстро уменьшится. Мощность накачки тогда оказывается недостаточной, чтобы поддерживать инверсию населенности. поэтому лазеры с тремя уровнями практически всегда являются импульсными.
Если систему с тремя уровнями расширить еще на один уровень 2 между 1 и 2 уровнями, то при условии, что уровень 2 является очень короткоживущим, можно увеличить инверсию населенности 2 уровня по отношению к 2 уровню (рис. 34, б). Если лазерный переход осуществляется с уровня 2 на уровень 2 (очень короткоживущий), то при работе лазера он постоянно опустошается на основной уровень, чем обеспечивается инверсия населенности второго уровня по отношению к 2. Такая лазерная система даже при незначительной мощности накачки может постоянно сохранять инверсию населенности между уровнями 2 и 2.
Рис. 34. Лазерные энергетические уровни
Изменение населенности отдельных уровней происходит по кругу, т.е. заканчивается на основном уровне. В некоторых случаях цикл накачки может заканчиваться, по крайней мере, частично на так называемых "метастабильных уровнях" (рис. 35). Они практически не распадаются на основное состояние, так что атомы со временем полностью накачиваются в эти метастабильные состояния и впоследствии не могут использоваться в цикле лазерной накачки и лазерная генерация прекращается. Для устранения этого явления применяют прокачку лазерной среды или добавление так называемого буферного газа (гелий – неоновый лазер), что сокращает продолжительность существования метастабильного уровня.
Рис. 35. Лазерная генерация с метастабильным уровнем
В качестве лазерной среды можно использовать материалы, у которых обеспечивается инверсия населенности, такие как:
– свободные атомы, молекулы в газах и парах;
– молекулы красителей, растворенные в жидкостях;
– атомы и ионы, встроенные в твердое тело;
– легированные полупроводники;
– свободные электроны.
Спектр электромагнитных волн лазерной генерации лежит от ультрафиолетовой области ( 100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК диапазоне. В медицине используются три участка спектра излучения: ультрафиолетовый – = 180 - 400 нм; видимый – 400 - 760 нм; инфракрасный – 760 - 1500 нм (рис. 36).
Рис. 36. Спектр электромагнитных волн и типы лазеров
Медицинское применение ограничивается сейчас СО2-лазерами, лазерами на ионах аргона и криптона, Nd : YAG-лазерами непрерывного и импульсного режима, лазерами на красителях, He-Ne-лазерами и GаАs-лазерами. Реже применяются эксимерные лазеры, Nd : YAG- лазеры с удвоением частоты, Er : YAG лазеры и лазеры на парах металлов.