Промышленное применение лазеров

диссоциации и метод электроионизационного возбуждения. С его помощью в настоящее время удалось получить лазерное излучение на нескольких сотнях различных оптических переходов в самых раз­ личных газах, парах и газовых смесях;

9) газодинамического метода возбуждения, основанного на бы­ стром охлаждении за счет расширения предварительно нагретой га­ зовой смеси;

10) плазменных методов создания возбужденных атомов и мо­ лекул, основанных на рекомбинации электронов и ионов в холодной или охлажденной плазме.

Так как вопросы получения инверсной населенности фактически являются вопросами создания квантов излучения требуемой частоты, то в рассматриваемый способ классификации квантовых приборов следует внести также методы параметрического умножения, усиления, преобразования и генерирования света, использующие нелинейные свойства среды, в которой распространяется когерентное излучение.

2.2. Методы получения инверсной населенности

(МЕТОДЫ НАКАЧКИ)

Метод пространственного разделения молекул

в неоднородных полях

Пространственное разделение молекул осуществляется в сор­ тирующей системе, которая содержит неоднородное электрическое (или магнитное) поле. Отделение молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне инверсной пары уровней, от молекул пучка, находящихся на нижнем уровне, основано на квадратичном эффекте Штарка, заключающемся в том, что при изменении внешнего элек­ трического поля меняется положение энергетических уровней, т.е. меняется сама энергия молекулы.

Поскольку каждая система стремится к минимуму энергии, то молекулы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне, при по­ мещении их в неоднородное электрическое поле будут стремиться ту­ да, где напряженность поля Е минимальна. И наоборот, молекулы, на­ ходящиеся на нижнем энергетическом уровне, будут стремиться в область максимальной напряженности поля, где их энергия меньше.

При этом в резонатор практически попадают только молекулы, находящиеся на верхнем уровне, и пучок этих молекул представляет собой ту среду с инверсной населенностью уровней, которая вносит в резонатор отрицательную проводимость, способную вызвать уси­ ление или генерацию электромагнитных колебаний.

В химических методах возбуждения и получения инверсной населенности используются химические реакции в газах с атомами активных элементов, имеющих большое сродство к электрону. В процессе реакции соединения атома такого элемента (обычно это атом фтора) с водородом или дейтерием избыток энергии сродства идет на возбуждение молекулы, в результате чего возбужденных мо­ лекул получается больше, чем невозбужденных, что создает инвер­ сию населенности уровней по отношению к квантам девозбуждения.

Имеется две группы оптических квантовых генераторов, исполь­ зующих химические методы: с инициированием химической реакции и без инициирования реакции. Инициирование необходимо для того, чтобы создать атомы активных элементов, т.е. чтобы, например, моле­ кулу с энергией Е превратить в активные атомы с энергией Е *= Е\ + Е2. Инициирование может проводиться разными способами: нагреванием, фотодиссоциацией, ударной диссоциацией и др.

Эксимерные молекулы - это обычно либо возбужденные моле­ кулы инертных газов, либо соединение возбужденного атома инерт­ ного газа с атомом галоида или кислорода. Существовать эти моле­ кулы могут только в возбужденном состоянии. Образуются они при большом давлении газа (порядка десяти атмосфер) и необходимым условием их получения является наличие возбужденных электрон­ ным ударом атомов инертного газа. Такое возбуждение в случае со­

единения с галоидом, когда требования к высокому давлению газа не столь высоки, удается получить в обычном газовом разряде. В случае использования только атомов инертных газов, когда соединение воз­ бужденного и невозбужденного атомов возможно лишь при столкно­ вении трех частиц и необходимо высокое давление, получают возбу­ жденные атомы путем импульсного введения в газ или в разрядный промежуток потока быстрых электронов, выходящих из вакуумного промежутка через тонкую, пронизываемую этими электронами фоль­ гу (так называемый метод электроионизационного возбуждения). После индуцированного либо спонтанного (обычно за счет столкно­ вений) девозбуждения эксимерная молекула распадается на ней­ тральные атомы.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) можно разделить на три группы:

1) магнитные ондуляторы, на первом из них сотрудник Стен­ фордского университета Моц получил в 1952 г. мощность в 1 Вт на частоте 300 ГГц. Электрон, двигаясь в периодическом магнитном поле со скоростью V, испытывает периодические отклонения от пря­ молинейного движения, т.е. колеблется поперек направления движе­ ния с периодом L/V, где L - период повторения неоднородности на его пути. Таким образом, электрон ведет себя как вибратор, т.е. дол­ жен излучать в направлении своего движения электромагнитные ко­ лебания с частотой v = V/L.

Меняя скорость электронов V, можно перестраивать длину вол­

ставляет около 1 %.

2) лазеры, которые основаны на предложении использовать для создания излучения движения релятивистских электронов в монокри­ сталле, когда не магнитное поле (как в магнитном ондуляторе) перио­ дически отклоняет электроны от прямолинейного движения, а перио­ дическое электрическое поле кристаллической решетки. Так как длина L периода кристаллической решетки очень мала, то с помощью такого

канализированного излучения можно получать усиление и генерацию в рентгеновском диапазоне длин волн. В связи со сложностью отвода тепла от такой системы предполагается периодическое облучение пучком электронов разных участков кристалла;

3) если в качестве неоднородностей, вблизи которых движет электрон со скоростью V, используется металлическая дифракцион­ ная решетка (тонкие металлические полоски, нанесенные на рас­ стоянии / друг от друга на диэлектрике перпендикулярно движению электрона), то, пролетая над каждой узкой полоской, электрон наво­ дит на ней положительный заряд, который исчезает по мере удаления электрона. Эти появления и исчезновения заряда эквивалентны пове­ дению электрического вибратора и дают колебания с частотой, близ­ кой к v « К//, что при / « 1,7 мкм и энергии электронов 300 кэВ дает излучение, лежащее в области видимого света. Это дифракционное излучение, получившее название эффекта Смита и Парселла по фа­ милиям ученых, впервые обнаруживших его в 1953 г., в настоящее время является предметом исследования большой области наукидифракционной электроники, которая занимается в осн.овном мил­ лиметровыми и субмиллиметровыми волнами и для продвижения в область генерации видимого света нуждается в использовании ус­ корителей заряженных частиц.

Методы возбуждения полупроводников

Квантовые переходы в полупроводниках осуществляются не ме­ жду какими-то определенными двумя уровнями, а между уровнями, превратившимися в разделенные интервалом Е\ зоны разрешенных значений энергии, нижняя из которых (валентная) заполнена электро­ нами, а верхняя (зона проводимости) свободна от электронов. Для того чтобы создать инверсию населенности, нужно получить избыток элек­ тронов на нижних уровнях верхней зоны и недостаток электронов (из­ быток дырок) на верхних уровнях нижней зоны, т.е. нужно, чтобы за­ селенность зон имела вид, показанный на рис. 2.1, а, где двойной

штриховкой заштрихованы уровни, заполненные электронами, а одинарной - уровни, свободные от электронов. При такой заселенно­ сти зон будет иметь место инверсная населенность уровней для кван­ тов энергии, величины которых лежат в пределах Е\ < hv< Е2. Поэтому если в резонатор, имеющий резонансную частоту v, поместить полу­ проводник с упомянутой заселенностью зон, то этот полупроводник будет вносить отрицательную проводимость и сможет давать усиле­ ние колебаний частоты v или генерировать эти колебания.

Рис. 2.1. Процессы создания инверсной населенности в полупроводниках: а - необходимое условие создания

инверсии населенностей; б - создание инверсии населенностей

Для создания такой заселенности зон в лазерных полупровод­ никовых системах можно использовать четыре метода:

1) метод оптического возбуждения. При этом с помощ внешнего мощного облучения квантами света AvBH> Е2 электроны возбуждаются, т.е. переводятся с верхних уровней основной зоны на средние и верхние уровни зоны проводимости, откуда они, передав часть энергии тепловым колебаниям решетки, переходят на нижние уровни зоны проводимости и создают инверсную населенность для рабочих квантов Av, таких что A E\<hv< Е2(см. рис.2.1, б).

Недостатком оптического метода возбуждения является силь­ ное поглощение падающего света полупроводником, что приводит к появлению инверсной населенности лишь в тонком поверхностном слое полупроводника и требует высокой чистоты поверхности;

2) метод электронного возбуждения. Этот метод в общих чер­ тах похож на предыдущий, но отличительной его особенностью яв­ ляется то, что роль возбуждающих квантов hvBHвыполняют внешние электроны, бомбардирующие полупроводник с большой энергией (20-К?00 кэВ). Этот полупроводник расположен на аноде высоко­ вольтного вакуумного диода, из катода которого вылетают электро­ ны. Для того чтобы электроны пучка проникали в полупроводник достаточно глубоко, их энергия должна быть очень велика (не менее 20 кэВ), причем около 30 % ее тратится на образование электронно­ дырочных пар. Из-за большой энергии один бомбардирующий элек­ трон, проникая в конце пути на глубину в несколько микрометров, создает на своем пути при энергии в 20 кэВ порядка 104 возбужде­ ний, т.к. на одно возбуждение идет энергия, в 2-^4 раза превышающая ширину запрещенной зоны.

С ростом плотности тока и энергии бомбардирующих электро­ нов растет мощность излучения, но при энергии в 30СН-500 кэВ ста­ новится возможным разрушение кристалла, т.к. бомбардировка по­ лупроводника вызывает его разогрев.

3)методы сильного поля. В этом случае перевод электронов на верхние уровни полупроводника и создание инверсной населенности осуществляются за счет приложения к полупроводнику или к ди­ электрику сильного импульсного электрического поля.

4)метод инжекции нашел широкое применение в полупровод­ никовых арсенид-галлиевых лазерах. Он основан на получении ин­ версной населенности в контакте вырожденных полупроводников или в гетеропереходах за счет протекания через контакт большого тока, т.е. за счет впрыскивания (инжекции) в контакт электронов со стороны полупроводника «-типа и дырок со стороны полупроводни­ ка /7-типа.

Метод внешней накачки или внешнего возбуждения много­ уровневой системы. В настоящее время этот метод получил широкое распространение в квантовых приборах как в мазерах, так и в твер­ дотельных и жидкостных лазерах. Он применяется частично и в га­ зовых лазерах. Обычно в нем используются трехуровневые перехо­ ды, или, как говорят, трехуровневые системы.

Суть метода заключается в следующем. Представим три уровня (рис. 2.2), один из которых (нижний) соответствует нормальному, невозбужденному, положению электрона, а два верхних предствляют собой уровни возбуждения.

Рис. 2.2. Процессы создания инверсной населенности методом внешней накачки

Предположим, что необходимо усилить колебания Av32 = Еъ - Е2, т.е. рабочим переходом является переход 3-2. Чтобы создать инверс­ ную населенность уровней 3 и 2, среду облучают извне кванты энер­ гии Avi2 = Ез —Е\9которые переводят частицы с уровня 1 на уровень 3. Эти кванты Avi3, или, как их называют, кванты накачки, и создают повышенную населенность уровней 3 по сравнению с уровнями 2, и поэтому приходящий сигнал (кванты Av32) усиливается за счет ин­ дуцированных переходов 3-2. Перейдя после акта усиления на уро­ вень 2, частица затем за счет спонтанного квантового перехода попа­ дает обратно на уровень 1 (волнистая стрелка на рис. 2.2).

Примером квантовых приборов, в которых используется упо­ мянутый метод, могут служить парамагнитные мазеры, которые мо­ гут работать только при сверхнизких температурах (4,2 К) и в кото­ рых энергетические уровни 1, 2, 3 появляются за счет расщепления

из-за эффекта Зеемана одного уровня во внешнем постоянном маг­ нитном поле, а также ряд атомарных молекулярных и ионных газо­ вых лазеров на парах металлов.

В четырехуровневых системах могут использоваться методы двойной (или, как их еще называют, последовательной, или двухкван­ товой) накачки, которые возможно осуществить в тех случаях, когда какие-нибудь два энергетические расстояния между уровнями систе­ мы одинаковы. Четырехуровневые системы получили в последнее время большое распространение в жидкостных лазерах.

Метод возбуждения акустическими (ультразвуковыми или гиперзвуковыми) колебаниями. Принципиально этот метод ничем не отличается от предыдущего, кроме того, что в нем один или оба по­ лезных индуцированных перехода осуществляются за счет воздейст­ вия акустических (обычно ультразвуковых или гиперзвуковых) коле­ баний, а не за счет электромагнитных колебаний, как в предыдущем случае. Иными словами, в этом методе рабочими квантами, или квантами накачки, являются не фотоны, а фононы.

Очевидно, что для реализации этого метода квантовая система, во-первых, должна хорошо пропускать ультразвук или гиперзвук, а во-вторых, должна быть помещена внутри соответствующего ульт­ раили гиперзвукового акустического резонатора. При этом может быть три типа квантовых систем, использующих квантовые перехо­ ды за счет фононов, т.е. может быть три типа систем, называемых акустическими мазерами:

а) системы с фононным возбуждением, служащие для получе­ ния усиления ультраили гиперзвука. В этих системах накачка и сигнал представляют собой ультраили гиперзвуковые колебания, передающиеся извне посредством соответствующих пьезоэлектриче­ ских вибраторов, преобразующих в эти колебания обычную электро­ магнитную энергию;

б) системы с электромагнитным возбуждением, служащие для усиления или генерации ультраили гиперзвуковых колебаний. В них накачка осуществляется фотонами, а сигнал представляет со­

бой поток фононов, причем очевидно, что такая система, если она резонансная, должна быть помещена как внутри электромагнитного резонатора (по накачке), так и внутри акустического резонатора (по сигналу). Именно эти два типа систем часто и называют акустиче­ скими мазерами;

в) системы с возбуждением ультраили гиперзвуковыми коле баниями, служащие для усиления или генерации электромагнитных колебаний. Такая система, являющаяся как бы обратной по отноше­ нию к предыдущей, часто называется обратным акустическим мазе­ ром. Она как раз и представляет собой интересующую нас много­ уровневую систему, возбуждаемую фононами.

Так как фононы, подобно фотонам, являются квантами энергии, то все те общие соображения, которые ранее обсуждались по поводу квантовых переходов, связанных с воздействием фотонов, относятся и к случаю воздействия фононов.

Метод получения инверсии населенности уровней за счет газоразрядного возбуждения. Этот метод, используемый в лазерах, несмотря на его очень широкое распространение, до сих пор изучен в деталях значительно слабее, чем предыдущие методы. Суть его за­ ключается в том, что атомы, ионы или молекулы в газовом разряде обычно под влиянием разного рода столкновений получаются воз­ бужденными по трехили четырехуровневой системам. Детали схе­ мы возбуждения могут быть в разных системах и для разных уровней самыми различными, причем система может быть вообще много­ уровневая.

Рассмотрим три основных механизма возбуждений, которые выполняют главную роль в тех или иных газоразрядных лазерных системах: 1) за счет столкновений; 2) за счет диссоциации молекулы;

3)электроионизационное и фотоионизационное.

1)Возбуждения за счет столкновений можно, в свою очеред

разделить на две группы:

а) возбуждение атомов или молекул газа при неупругих соуда­ рениях с электронами. При этом переход 1-3 осуществляется либо прямым ударом электрона в газовом разряде, либо рядом последова­

тельных возбуждений с одного уровня на другой, имеющий большую энергию. Таким способом удается возбудить лишь сравнительно не­ большое число типов атомов.

б) возбуждение столкновениями в газовом разряде при наличии примесей. Инверсную населенность уровней можно получать со зна­ чительно большей интенсивностью, если использовать разумно по­ добранную смесь газов, такую, что возбуждение атомов основного газа идет не только за счет столкновений с электронами, но и за счет резонансной потери энергии от возбужденных столкновениями на метастабильные уровни атомов примесного газа.

2) Рассмотрим метод возбуждения за счет диссоциации мол кул. Этот метод основан на следующем процессе. Молекула АВ, со­ стоящая из двух атомов Л ий, под влиянием столкновения с элек­

троном, или с другой молекулой М , или с атомом С , или с фотоном hv оказывается в возбужденном состоянии, из которого выходит пу­ тем диссоциации на атомы, причем один из них оказывается возбуж­ денным. Процесс описывается уравнением

(е ^

\ h v J

Однако обычно в качестве ударяющей по молекуле частицы вы­ ступает квант света, фотон. Этот процесс называется фотодиссоциаци­ ей и имеет высокую эффективность. Так как метод диссоциации мо­ жет быть реализован в отсутствии газового разряда, то его часто отно­ сят к химическим методам получения инверсной населенности.

3) Рассмотрим метод электроионизационного и фотоионизаци онного возбуждения газоразрядных лазеров, первый из которых уже упоминался при описании метода получения эксимерных молекул.

Одной из основных задач лазерной техники является задача по­ вышения энергии излучения, снимаемой с единицы объема возбуж­