Физические основы работы квантовых генераторов (110

Генерация начнется лишь тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери. Потери в режиме лазерной генерации обычно обусловлены тремя причинами:

а) потери за счет поглощения и рассеяния в рабочем веществе, которые обозначим αп,

б) потери на зеркалах из-за неполного отражения от зеркал, поскольку коэффициент отражения R отличен от идеального, т.е. от 100 % – αз,

в) часть энергии необходимо выводить через зеркала наружу, такие потери на полезное излучение обозначим αполезн.

Уравнение (17) с учетом всей совокупности потерь имеет вид

Для осуществления генерации необходимо, чтобы коэффициент квантового усиления β был больше суммы всех потерь, т.е.

Итак, для работы генератора необходимы:

1)активная среда;

2)мощный источник осуществления инверсии, N2 > N1; это лампавспышка или другое устройство накачки;

3)положительная обратная связь, например в виде параллельных зеркал;

4)выполнение порогового условия, чтобы коэффициент усиления α был больше суммы всех потерь: из-за рассеяния света на неоднородностях, из-за поглощения квантов на нерабочих уровнях. Существуют еще дифракционные потери из-за конечного размера зеркал.

Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. Существует очень много различных типов лазеров. Они отличаются друг от друга внешним видом, размерами, конструкцией. Если квантовый генератор дает полезное излучение непрерывно, то генератор называется ОКГ непрерывного действия. Если полезное излучение генерируется импульсами, то ОКГ называется импульсным, что может реализовываться различными способами. Рабочим телом при этом могут быть твердые тела, газы, жидкие красители, полупроводники.

Рассмотрим теперь некоторые конкретные типы лазеров.

3. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл А12О3 (корунд), в котором часть ионов Аl3+ замещена ионами Сr3+ . Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава

11

смеси А12О3 и небольшой части Сr2О3. Без добавления Сr2O3 формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным и необходимо добавить совсем немного Сr2О3, чтобы кристалл приобрел розовый оттенок (розовый рубин) вследствие наличия у ионов Сr3+ зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация Сr3+ приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).

Активными центрами в рубиновом лазере являются ионы хрома. В данном случае ион хрома не является свободным, а находится в кристалле рубина, это приводит к тому, что его энергетические уровни как бы «размазываются», превращаясь в энергетические полосы. Некоторые энергетические полосы оказываются достаточно узкими, так что их можно приближенно рассматривать как энергетические уровни. Для работы лазера на рубине существенны не все уровни (полосы) хрома, а только некоторые из них. На рис. 6 показана схема энергетических уровней ионов хрома, внедренных в кристалл.

Рис. 6. Энергетические уровни иона хрома в кристалле рубина

Цифрой 1 обозначен основной уровень; в отсутствии накачки (когда лазер работает) практически все ионы хрома находятся на этом уровне. Лазерное излучение рождается на переходах 2→1 ионов хрома; поэтому уровень 2 называют верхним рабочим уровнем, а основной уровень 1 играет в данном случае роль нижнего рабочего уровня. Наличие полос 3 приводит к поглощению в зеленой (550 нм) и фиолетовой (420 нм) областях спектра.

Время жизни ионов в возбужденных состояниях 3 мало, приблизительно 10–8 с, т.е. в состояниях 3 ион хрома долго не задерживается и переходит на уровень 2, отдавая избыток энергии колебаниям кристаллической решетки А12О3. Уровень 2 – так называемый метастабильный уровень, время жизни ионов на нем сравнительно велико (10–4 –10–3с). Поскольку уровень 2 долгоживущий, то под действием накачки на нем будет накапливаться все больше и больше ионов хрома, и вскоре число ионов на уровне 2 станет

12

больше числа ионов на уровне 1. В результате возникает инверсная населенность рабочих уровней. Генерация возникает при переходах 2 → 1, при этом излучается свет с длиной волны 0,6943 мкм.

В лазере на рубине, как и в любом твердотельном лазере, применяется оптическая накачка. На рис. 7 показан основной элемент конструкции лазера Меймана: кристалл рубина и ксеноновая лампа-вспышка.

Рис. 7. Конструкция лазера Меймана

В более поздних конструкциях использовалась линейная лампа, расположенная вдоль кристалла. Лампа накачки и активный стержень размещены внутри отражателя параллельно друг другу таким образом, чтобы их оси проходили через фокусы эллипса, представляющего собой поперечное сечение отражателя. Этим достигается хорошая концентрация светового потока лампы-накачки на активном стержне.

Рубиновый лазер в режиме свободной генерации излучает сотни джоулей в импульсе длительностью 0,5–1 мс, в режиме модулированной добротности 1 энергия импульса – единицы Джоуля, а длительность порядка 20 нc, т.е. максимальная мощность импульса 5 109 Вт.

4. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Примером газового лазера является гелий-неоновый квантовый генератор.

Этот лазер работает на смеси газов гелия и неона. Активным веществом лазера является неон. Атомы гелия играют вспомогательную роль, они необходимы для создания инверсии населенностей. В лазере смесь гелия и неона заключена в стеклянную трубку, в которой с помощью специального устройства поддерживается непрерывный электрический разряд. Электроны, набирающие энергию в электрическом поле разряда, играют роль первичных носителей энергии. На рис. 8 показано устройство He-Ne лазера.

1 Режим модуляции добротности резонатора – во время действия накачки в резонатор с помощью лазерного затвора вводятся дополнительные потери, препятствующие возникновению свободной генерации; после выключения потерь энергия возбуждения, запасенная в активной среде, излучается в виде короткого и мощного импульса.

13

λ1 = 632,8 нм – красное излучение; λ2 = 1150 нм и λ3 = 3390 нм – инфракрасное излучение.

4. ЛАЗЕРЫ НА ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЯХ

Другой важный класс лазеров представляют лазеры на органических красителях. Активным веществом в них является органический краситель, растворенный в подходящей жидкости. Поскольку молекулы красителя содержат от 20 до 60 атомов, точную схему энергетических уровней изобразить невозможно. Упрощенная схема энергетических уровней молекулы красителя приведена на рис. 10. Энергетические уровни представляют собой полосы, возникающие в результате колебательных переходов в молекулах красителя. Наличие широких полос 1 и 2 приводит к широкому спектру люминесценции, что дает возможность создавать перестраиваемые лазеры.

Рис. 10. Схема лазера на красителе

Кроме того, органические красители имеют дополнительные состояния, которые называются триплетными (см. рис. 10). Переходы с триплетного уровня не дают вклад в излучение лазера. Следовательно, лазер прекращает свою работу, когда на триплетном уровне накапливается достаточное число молекул.

Для уменьшения влияния триплетного состояния лазеры на красителях или работают в импульсном режиме, или раствор красителя непрерывно прокачивается через лазерный резонатор. Если активный объем достаточно мал, а скорость течения раствора достаточно велика, молекулы успевают физически удалиться из резонатора до того, как значительная их доля будет потеряна вследствие перехода на триплетный уровень.

15

Несмотря на эти сложности, лазеры на красителях имеют большое значение, в основном благодаря своей способности перестраиваться. Каждый краситель имеет широкий спектр люминесценции, и лазер легко перестраивается в пределах этого спектра с помощью решетки или призмы, расположенной внутри резонатора. Более того, имеется большое количество красителей, которые позволяют получать когерентное излучение на любой длине волны видимого спектра.

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где переходы с оптическим излучением происходят между двумя не энергетическими уровнями, а энергетическими зонами – зоной проводимости и валентной зоной, состоящими из большого числа перекрывающихся уровней. Эти зоны разделены запрещенной зоной. Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (для обычных случаев межзонных переходов) показан на рис. 11.

Рис. 11. Излучение в полупроводниках

Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами, имеющими энергию немного больше ширины запрещенной зоны, возбуждает электроны и переводит их в более высокое энергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией.

Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током и с контактом между полупроводнико-

16

выми материалами n- и р-типа. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света.

Основными материалами для полупроводниковых лазеров являются GaAs (арсенид галлия), AlGaAs (арсенид галлия – алюминия), GaP (фосфид галлия), InGaP (фосфид галлия – индия).

6. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА

Мы предполагали, что излучение лазера монохроматично и частота излучения строго определяется формулой

ν= E2 h− E1 .

Вдействительности излучение лазера содержит спектр частот. Это свя-

зано с тем, что активная среда имеет ширину линии усиления Δνу (рис. 12а).

Рис. 12. Генерация света многомодовым лазером

Для разных сред эта величина меняется в широких пределах. Например, для гелий-неонового лазера Δνу определяется доплеровским уширением спектральной линии и составляет ≈ 0,04 см–1. Для рубинового лазера Δνу = 2–4 см–1, адлялазеранараствореорганическогокрасителяΔνу = 103 см–1.

Для осуществления обратной связи вещество помещают в резонатор. В простейшем случае это зеркальный резонатор типа Фабри – Перо. Для непрерывного усиления света в ОКГ необходимо, чтобы волна, возвратившаяся в некоторую точку активной среды после отражений от зеркал, имела в этой точке фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе

17

отражения от зеркал. Это значит, что длина пути, который проходит волна между двумя отражениями, должна быть равной или кратной целой длине самой волны:

Данное уравнение является фазовым условием, выполнение которого необходимо для генерации. Следовательно, на длине L резонатора должно укладываться n стоячих полуволн; такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные близко расположенные волны постепенно гасят друг друга. Таким образом, уравнение (21) есть одновременно условие резонанса между электромагнитной волной и зеркальным резонатором. Из этого уравнения можно найти частоты, которые генерируются в ОКГ. Так как λ = с / ν, тo νn = nc / 2L. Каждому n соответствует собственная частота νn. В результате спектр состоит из ряда очень узких линий, частоты которых отстоят друг от друга на Δν = с / 2L (рис.12б).

В результате спектр лазерной генерации будет состоять из набора частот (рис. 12в). Существуют способы получения генерации на одной собственной частоте, т.е. получения почти монохроматического излучения. В

гелий-неоновом и рубиновом ОКГ ширина линий составляет соответственно 0,03 см–1 и 20 см–1.

Замечательной чертой лазеров, связанной с их когерентностью, является исключительная способность к концентрации световой энергии: в спектре – очень узкая спектральная линия излучения; во времени – возможность получения сверхкоротких импульсов света; в пространстве и по направлению распространения – возможность получении направленного пучка с предельно малой расходимостью.

7.ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Кчислу основных параметров, характеризующих лазерное излучение, относятся длина волны излучения, энергия и длительность импульса, мощность генерации в непрерывном режиме, ширина спектра, диапазон перестройки, угловая расходимость излучения. Для разных типов лазеров эти

параметры меняются в очень широких пределах. Диапазон генерируемого излучения охватывает область от 200 нм для эксимерных лазеров 2, а лазер на переходах между колебательными уровнями молекул (на углекислом газе) генерирует инфракрасное излучение с длиной волны около 10 мкм. Лазеры на растворах органических красителей способны плавно менять длину

2 Газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбужденном состоянии).

18

волны излучения в пределах полосы частот шириной порядка 1000 см–1. Специальные модели гелий-неонового лазера генерируют излучение с очень узкой спектральной линией, ширина которой составляет 102–103 Гц. Угловая расходимость лазерного луча близка к дифракционному пределу. С помощью лазеров фактически достигнут предел длительности световых импульсов. Так, получены импульсы длительностью 4,5 10–15 с – всего лишь в два раза превышающей период световых колебаний. Мощность непрерывной генерации СО2 лазера достигает 106 Вт. На установках для лазерного термоядерного синтеза созданы ОКГ, генерирующие импульсы длительностью порядка 10–9с с энергией 105 Дж и мощностью до 1014 Вт. Фокусировка такого излучения позволяет получить интенсивность света на уровне 1019 Вт/см2, при этом напряженность поля в световой волне достигает 1011 В/см, т.е. превышает напряженность внутриатомного электрического поля.

Столь широкий диапазон свойств лазера открывает чрезвычайно большие возможности его применения.

8. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Основные свойства лазерного излучения – это монохроматичность, высокая степень когерентности, необыкновенная направленность и, как следствие предыдущих свойств, чрезвычайная яркость. Лазеры позволяют концентрировать световую энергию в пространстве (мощный узкий луч) и во времени (короткий мощный импульс). Следствием таких уникальных свойств является широкое применение лазеров в самых различных областях человеческой деятельности.

Для лазерного способа ввода энергии в вещество характерны точная локализация, дозированность и стерильность. Способность концентрировать большую мощность на малой площади материала привела к появления лазерных технологий в промышленности.

С помощью лазеров осуществляются резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. Причем отмечаются такие преимущества лазерной обработки, как высокая скорость выполнения операций, высокое качество обработки, возможность автоматизации операций и др. В металлургии лазеры позволяют получить сверхчистые металлы – в вакууме или в контролируемой газовой среде. Сверхкороткие импульсы применяются для изучения быстропротекающих процессов, сверхскоростной фотографии и др. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода – вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов.

19

Значительный эффект получен при использовании лазеров в медицине: при лечении глазных, кожных заболеваний и др. Был создан лазерный скальпель, который является надежным, абсолютно стерильным и бескровным. Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний.

Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы. Лазерная локация уточнила значение астрономической постоянной и способствовала коррекции систем космической навигации, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазерная локация существенно уточнила характеристики движения Луны и Венеры по сравнению с прежними астрономическими данными.

С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики, как нелинейная оптика и голография. Лазеры используются и для решения проблемы термоядерного синтеза.

ЛИТЕРАТУРА

1.Бутиков Е.И. Оптика / Е.И. Бутиков. – М. : Высшая школа, 1986. –

511 с.

2.Ландсберг Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М. : Физматлит, 2006. –

848 с.

3.Звелто О. Принципы лазеров / О. Звелто. – СПб. ; М. ; Краснодар :

Лань, 2008. – 719 с.

4.Ярив А. Введение в оптическую электронику / А. Ярив. – М. : Выс-

шая школа, 1983. – 397 с.

5.Справочник по лазерной технике / под ред. А.П. Напартовича. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 543 c.

20