шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

и будем говорить. Энергия фотона, «родившегося» в процессе перехода атома из более «высокого» состояния в более «низкое», соответствует разности энергий между соответствующими уровнями. Так, переход с уровня 3 на уровень 1 (рис. II.1) сопровождается испусканием фотона, энергия которого, по Бору, равна , где – частота испущенного фотона, – постоянная Планка. «Рождение» фотона будем называть генерацией.

Спонтанное и индуцированное излучение

Вообразим квантовую систему, т.е. совокупность атомов, которые под действием внешних факторов (того же света) могут переходить в возбужденное состояние. Энергии уровней отдельно-

го атома, между которыми происходят переходы, обозначим через и (рис. II.2). Не забываем, что эти уровни могут быть вырожденными. Переходы, которые происходят под действием внешних факторов, назовем индуцированными. Те, которые происходят самопроизвольно, – спонтанными. Индуцированные переходы возможны как с уровня 2 на уровень 1, так и наоборот. Спонтанные переходы возможны только «сверху вниз».

Понятно, что чем больше фотонов прилетит в нашу квантовую систему, тем больше произойдет взаимодействий квантов света с атомами. Поэтому и вероятность индуцированных переходов в единицу времени будет пропорциональна этому количеству прилетевших фотонов. Не следует забывать также, что только те фотоны вызовут переходы, энергия которых соответствует разности энергий между уровнями 1 и 2. Концентрацию фотонов данной энергии характеризуют так называемой плотностью энергии внешнего поля в единичном спектральном интервале. Обо-

значим ее через .

Рис. II.2. Схематическое представление трех процессов: (а) – спонтанное излучение, (б ) – вынужденное излучение, (в) – по глощение .

Необходимо подчеркнуть, что между спонтанным и вынужденным излучениями существует принципиальное отличие. В случае спонтанного излучательного перехода появившийся фотон может иметь совершенно любое направление распространения, любую поляризацию и фазу. В то время как фотон, появившийся в ходе индуцированного перехода, будет иметь то же направление распространения, частоту, фазу и поляризацию, что и фотон-инициатор. Другими словами, лазерный луч, состоящий из таких фотонов, будет иметь высокую монохроматичность1, направленность и другие замечательные качества.

Здесь полезно будет напомнить, что такое поляризация света. Свет является электромагнитной волной, т.е. представляет собой процесс распространения колебаний в пространстве. В электромагнитной волне происходит изменение (колебание) вектора напряженности электриче-

ского поля и перпендикулярного ему вектора напряженности магнитного поля . В природе существуют кристаллы, называемые поляроидами, обладающие интересными оптическими свойствами. Анизотропия оптических свойств таких кристаллов заключается в том, что они способны пропускать только ту составляющую света, вектор электрической напряженности2 которой лежит в плоскости, параллельной так называемой оптической плоскости кристалла. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом, у света, прошедшего через

1 Монохроматическое излучение – излучение, обладающее очень малым (в идеале – бесконечно малым) разбросом частот. Другими словами, э то излучение, состоящее из набора волн, имеющих о динаковую частоту (длину волны ).

2 На самом деле, когда свет распространяется в среде, его принято характеризовать не вектором н а- пряженности , а вектором индукции электрического поля . Следовательно, в поляроидах распространяе т- ся та составляющая света , вектор электрической индукции которой, находится в оптической плоскости кристалла.

31

На пути в эру нанотехнологий…

кристалл-поляроид, колебание вектор напряженности будет происходить только в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным (а точнее – плоскополяризованным).

И, наконец, рассмотрим переход 1→2, т.е. поглощение. Предположим теперь, что атом находится первоначально на уровне 1. Если этот уровень является основным, то атом на нем может находиться сколь угодно долго, если на него не действуют какие-либо внешние факторы (тепловые колебания, свет). Пусть теперь на наш атом падает фотон с частотой . Если энергия фотона равна разности , то существует вероятность того, что атом перейдет в возбужденное состояние, на уровень с энергией .

Теперь исключим воздействие внешнего электромагнитного поля на рассматриваемую систему и будем учитывать только воздействие температуры. Понятно, что переходы 1→2 будут происходить даже в этом случае. Останутся в силе также и спонтанные переходы 2→1, определенная доля которых будет происходить с испусканием фотонов. Т.е. получается, что даже под действием только одной температуры в нашей системе возможно возникновение электромагнитного излучения. Возникшие в ходе спонтанного излучения фотоны смогут переводить атомы в возбужденное состояние, а также провоцировать переходы 2→1. Если рассматриваемая система является изолированной1 (замкнутой), то по истечению некоторого времени наступит термодинамическое равновесие. В данном случае термодинамическое равновесие описывается так: количество переходов 1→2 равно количеству переходов 2→1. Причем понятно, что переходы 2→1 складываются из спонтанных и индуцированных, а переходы 1→2 – только из индуцированных.

Коэффициент усиления

Итак, мы с Вами познакомились с основными видами переходов атомов внутри вещества. А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, «ударив» в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него, причем, как мы уже знаем, излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так в результате незначительного внешнего излучения начнется лавинообразное усиление светового потока.

Рис. II.3. К определению коэффициента усиления .

Вообразим себе пластинку, вырезанную из вещества, в котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии (рис. II.3). Интенсивность света, падающего на пластинку

равна , а интенсивность усиленного света, вышедшего из пластинки равна , т.е. произошло приращение интенсивности света. Приращение интенсивности, очевидно, пропорционально интенсивности падающего света, а также толщине вещества, сквозь которое проходит свет. Закон усиления света можно описать с помощью формулы

очень похожей на закон поглощения света в полупроводнике (см. предыдущую главу). Эта формула при , в общем-то, и описывает закон поглощения. Коэффициент имеет размерность, об-

ратную длине (м-1); он равен , где – такая толщина вещества, при прохождении которой свет усиливается в раз: .

1 Изолированная система (замкнутая система) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется, что изолированная система постепенно прихо дит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может.

32

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Накачка. Схемы накачки

Естественно, в природе не существует материалов, у которых при условии термодинам и- ческого равновесия большая часть атомов находилась бы в возбужденном состоянии. Т.е. количество атомов в основном состоянии всегда больше либо равно количеству атомов в возбужденном состоянии. Такую термодинамически равновесную систему можно освещать сколько угодно, но получить лазерное излучение не получится (поскольку число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет превосходить число фотонов, излученных возбужденными). Чтобы его получить, необходимо создать так называемую инверсию заселенностей, т.е. такое состояние системы, при котором количество атомов в возбужденном состоянии превышало бы количество ат о- мов в основном состоянии. Состояние вещества, в котором создана инверсная заселенность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной заселенности называется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера (твердотельного, жидкостного, газового, полупроводникового и т.п.). Мы пока для определенности будем говорить, что накачка производится внешним электромагнитным полем.

Рис. II.4. Трехуровневая (а ) и четырехуровневая (б) схемы накачки .

Читателю может показаться, что для того чтобы создать инверсию заселенностей, нужно просто «хорошенько» осветить вещество, т.е. направить на него достаточно мощное электромаг-

нитное излучение частотой . Действительно, так как при термодинамическом равновесии поглощение преобладает над усилением, то под действием падающей волны переходов 1→2 происходит больше, чем переходов 2→1. И можно открывать ситро и радоваться, что нам удалось создать инверсию заселенностей? Вообще-то, рановато. Как только заселенности уровней окажутся одинако-

выми (), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга, и падающая волна просто перестанет поглощаться. Такая ситуация называется двухуровне-

вым насыщением.

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию заселенностей. Поэтому необходимо наличие трех, по крайней мере, уровней энергии. На самом деле с уществуют две принципиальных схемы накачки: трехуровневая (рис. II.4а) и четырехуровневая (рис.

II.4б).

Давайте разберемся сначала с трехуровневой схемой. Как уже было сказано выше, атом не может долго находиться в возбужденном состоянии, потому что оно является неустойчивым. Отсюда следует еще одна причина невозможности создания инверсии по двухуровневой схеме: ат о- мы просто не успевают накапливаться в возбужденном состоянии. Было бы неплохо, если бы ат о- мы, «переброшенные» в возбужденное состояние, «спрыгивали» бы на какой-нибудь другой более устойчивый уровень. Там они смогли бы находиться значительно дольше, т.е. накапливаться. Спешим Вас обрадовать, что такие уровни существуют; мы будем их называть долгоживущими. Время жизни атомов на таком уровне в миллион раз больше времени жизни в неустойчивом возбужденном состоянии (~10-4–10-3c)! Уровень 3 на рис. II.4а как раз и является долгоживущим.

Атомы под действие внешнего излучения переходят на уровень 2, с которого быстро переходят на долгоживущий уровень 3, где и накапливаются. Эти переходы с короткоживущего уровня 2 на долгоживущий уровень 3 мы будем называть релаксационными. Переходы 2→3 могут быть безызлучательными – энергия, выделяющаяся во время таких переходов, будет идти на нагревание вещества. По истечению определенного времени, атомов на уровне 3 становится больше, чем на

33

На пути в эру нанотехнологий…

уровне 1, то есть между этими уровнями возникает инверсия (можем открывать ситро)! И теперь излучение, проходящее через наше вещество, будет усиливаться.

с уровня 2 атомы поступают быстрее на долгоживущий уровень 3, чем стекают с него, то создается инверсия. Если же переходы 1→2 происходят быстрее, чем переходы 3→1, то долгоживущий уровень оказывается все время заполненным, т.е. инверсия удерживается. Условие инверсии для трехуровневой схемы накачки в наиболее общей форме можно записать в виде неравенства:

.

Теперь поговорим о четырехуровневой схеме. Здесь атомы точно также под действием внешнего излучения переходят на уровень 2, с которого быстро переходят на долгоживущий уровень 3. Однако теперь излучательные переходы происходят с уровня 3 на некоторый промежуточный уровень 4, который в начальный момент времени пуст. Т.е. получается, что даже совсем небольшое количество атомов на уровне 3 уже будет соответствовать инверсии заселенностей между уровнями 3 и 4. Для того чтобы инверсия удерживалась, необходимо, чтобы атомы с уровня 4 быстро переходили на уровень 1. Таким образом, уровень 4 не должен быть долгоживущим.

Внимательный читатель, должно быть, заметил, что на рис. II.4б отсутствуют переходы 2→4 и 3→1. Мы исключили их из рассмотрения, потому что вероятность этих переходов сравни-

тельно мала ( ), к тому же, никакого участия в лазерной генерации они не принимают и сильного влияния на работу четырехуровневой системы накачки они не оказывают. Условие инверсии в этом случае можно записать в виде неравенства

,

которое означает, что лазерный уровень 4 должен опустошаться в исходное состояние (на уровень 1) быстрее, чем заселяться атомами с лазерного уровня 3.

Рис. II.5. Схема устройства резонатора лазера.

Следующий вопрос, который может возникнуть: зачем использовать четырехуровневую схему накачки, когда есть более простая, трехуровневая? Стоит ли мудрствовать лукаво, как говорится? Оказывается, стоит. Как уже было сказано, инверсию в четырехуровневой системе получить значительно легче, а это означает, что можно использовать менее мощные источники нака ч- ки, получая, тем не менее, хорошую мощность на выходе. Действительно, ведь в трехуровневой схеме приходится создавать инверсию по отношению к хорошо заселенному в обычных условиях уровню 1. А в четырехуровневой – по отношению к пустому уровню 4. Все просто!

Как создать обратную связь и что такое моды лазерного излуче-

ния?

Итак, мы, наконец, получили активную усиливающую среду. Как же превратить наш усилитель в генератор когерентного излучения? Для этого необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. Что это значит?

В лазерах положительную обратную связь обычно получают, помещая активную среду между двумя зеркалами с высокими коэффициентами отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. II.5). Систему из плоскопараллельных зеркал, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называют интерферометром Фабри-Перо или открытым резонатором. В случае такого резонатора плоская электромагнитная волна, распространяющаяся перпендикулярно зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если зеркало 2 сделано частично прозрачным, то волна, набрав достаточную энергию после определенного числа проходов, выходит через второе зеркало.

Выходной пучок представляет собой самое настоящее лазерное излучение, основными достоинствами которого, как уже упоминалось, являются монохроматичность, когерентность и

34

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

направленность. Однако ничего идеального в мире не бывает, поэтому и тут нужно сделать небольшую оговорку. На самом деле излучение лазера происходит не строго на одной частоте, а на целом спектре частот. В разных лазерах уширение спектра излучения возникает по разным причинам. Например, в газовых лазерах «размытие» спектра происходит за счет относительного движения атомов газа, т.е. за счет доплеровского уширения (см. [6]). Причем интенсивность волн с разными частотами будет различна. На рис. II.6а показана зависимость интенсивности излучения лазера от частоты.

Рис. II.6. Зависимость интенсивности излучения лазера о т часто ты (а) и модовый состав лазерного излуч е- ния (б).

Важной особенностью интерферометра Фабри-Перо является то, что внутри него могут существовать только волны определенной частоты. Эти волны называются модами* резонатора. Таким образом, из резонатора будет выходить не сплошной спектр излучения, а только те волны, частоты которых соответствуют частотам мод резонатора. Набор волн с такими частотами определяет так называемый модовый состав лазерного излучения. На рис. II.6б эти частоты обозначены через . Соответствующий режим работы лазера называется многомодовым режимом.

Твердотельные лазеры

Твердотельными лазерами обычно называют лазеры, активной средой которых является либо диэлектрический кристалл, либо стекло. Лазеры на полупроводниковых кристаллах выделяют в особый тип лазеров, так как они имеют совсем другие механизмы накачки и генерации. Надо сразу оговорить, что чистый (т.е. не содержащий примесей) диэлектрический кристалл в качестве активной среды не используют, так как в таких кристаллах атомы не имеют никаких метастабильных состояний. Для того чтобы они появились, кристалл легируют определенными добавками, которые замещают небольшое число основных атомов кристалла. Причем атомы примеси находятся в кристалле в виде ионов. А вот эти ионы уже имеют метастабильные энергетические уровни.

В случае твердого диэлектрика практически единственным способом, который позволяет вывести кристалл из термодинамического равновесия (имеется в виду создать инверсию заселенностей) и не разрушить его, является облучение тела светом. Т.е. накачку твердотельных лазеров производят с помощью внешнего источника света (мощной лампы).

Рубиновый лазер

Хорошим примером твердотельного лазера является рубиновый лазер. Как уже говорилось, рубиновый лазер является самым первым генератором оптического излучения. Рубин сотни лет назад был известен как драгоценный камень. Он представляет собой кристалл Al2O3 (корунд), в котором небольшое число ионов Al3+ замещено ионами Cr3+. Природный рубин представляет со-

35

На пути в эру нанотехнологий…

бой кристалл насыщенного красного цвета (красный рубин). Красную окраску ему придают ионы хрома, которые поглощают зеленый и фиолетовый свет, придавая, таким образом, проходящему свету красноватый оттенок. Причем, чем больше концентрация ионов Cr3+, тем насыщеннее цвет кристалла. Однако в качестве активной среды рубинового лазера природный рубин не применяют, а используют специально выращенный розовый рубин, в котором концентрация ионов хрома несколько понижена по сравнению с природным кристаллом.

Рис. II.7. Энергетические уровни рубина.

Упрощенно схема энергетических уровней иона Cr3+ изображена на рис. II.7. Нижняя линия соответствует основному состоянию иона в кристалле. Рубин имеет две основные полосы поглощения (полосы накачки): зеленую и фиолетовую. Это означает, что при освещении кристалла,

наиболее интенсивно поглощается зеленый ( нм) и фиолетовый ( нм) свет. Поглощение зеленого света эквивалентно переходу ионов хрома из основного состояния на нижний, на рисунке, расщепленный уровень. Соответственно поглощение фиолетового света эквивалентно переходу иона хрома из основного состояния на верхний расщепленный уровень. Эти два уровня и называют полосами поглощения рубина. Длительность существования иона хрома в этих возбуж-

денных состояниях мала и составляет примерно с. По истечению этого времени электрон в ионе переходит (безызлучательно) на расположенный несколько ниже двойной уровень, который является метастабильным.

Как Вы уже, наверное, поняли, рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме накачки (рис. II.4а). В качестве уровня 2 выступают полосы поглощения рубина, а в качестве уровня 3 – двойной уровень. Лазерная генерация происходит при переходе электронов в ионах с двойного уровня в основное состояние. Рубиновый лазер излучает на двух длинах волн. Переход соответствует длине волны нм; переход – длине волны нм.

Рис. II.8. Схема устройства рубинового лазера.

Кристаллы для рубинового лазера изготовляют в виде цилиндров (стержней) диаметром

см и длиной см (рис. II.8). На торцы стержней напыляют серебро, получая, таким образом, зеркала с высокими коэффициентами отражения. Рубиновый кристалл змеей охватывает мощная лампа, являющаяся источником накачки. Обычно используют мощные импульсные ксеноновые лампы. В таком случае лазер будет работать в импульсно-периодическом режиме. Высококачественные кристаллы могут работать и в непрерывном режиме; для этого накачку произво-

36

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

дят с помощью ртутных ламп. КПД рубинового лазера всего около %. Тем не менее, мощность лазера, работающего в импульсном режиме, достигает МВт в одиночном импульсе длительностью нс1.

Основным недостатком рубинового лазера является трехуровневый механизм его работы, а именно необходимость большой затраты энергии при создании инверсии. Мы с Вами говорили об этом, когда разбирали механизмы накачки. Там же мы выяснили, что для уменьшения затрат энергии лучше использовать лазеры с четырехуровневой схемой накачки. Ярким представителем таких лазеров является неодимовый лазер.

Неодимовый лазер

Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является Y3Al5O12, в котором часть ионов иттрия Y3+ замещена ионами неодима Nd3+ (иногда это записывают как Y3Al5O12:Nd). Сокращенно алюминат иттрия называют YAG (yttrium aluminum garnet, иттрий-алюминиевый гранат). Иногда также используется стекло, легированное ионами Nd3+. Ионы Nd3+ придают прозрачному кристаллу YAG бледнопурпурный цвет. Упрощенная схема энергетических уровней иона неодима Nd3+ приведена на рис.

II.9.

Рис. II.9. Уровни энергий иона неодима.

Нижняя линия соответствует основному состоянию иона в кристалле. Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния в несколько узких полос, играющих роль уровня 2 (рис. II.4б). Из этих полос накачки ионы быстро переходят на расположенный несколько ниже метастабильный уровень (на рисунке не показано, что он является расщепленным). Однако вероятность того, что ионы с этого уровня перейдут в основное состояние, мала. Наибольшей вероятностью обладает переход ионов на некоторый неустойчивый уровень (он также является расщепленным), который играет роль уровня 4 (рис. II.4б). Основная длина волны излучения неодимового лазера со-

ставляет мкм.

YAG:Nd лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. КПД неодимового лазера составляет %. В непрерывном многомодовом режиме мощность лазера достигает Вт; в импульсном режиме при частоте импульсов Гц средняя выходная мощность составляет Вт. Техническое устройство и размеры стержней неодимового лазера примерно такие же, как у рубинового.

Ионы неодима можно добавить не только в кристаллический диэлектрик, как в случае YAG, но и в аморфную матрицу из стекла. Существуют также другие типы лазеров, имеющие в качестве активной среды стекло, легированное определенными ионами. Об одном из таких типов лазеров – волоконно-оптических усилителях – мы поговорим позднее, когда речь пойдет о воло- конно-оптических линиях связи.

1 Следует отметить, ч то такие высокие мощности и столь короткие импульсы возможны не в любом импульсном режиме, а только в так называемом режиме модулированной добротности.

37

На пути в эру нанотехнологий…

Газовые лазеры

Как ясно из названия, активной средой газовых лазеров является газ. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают гораздо меньшей плотностью, что делает их прозрачными в огромном спектральном интервале. Газ прозрачен как для ультрафиолетовых, так и для инфракрасных волн (вплоть до СВЧ). К тому же световой луч в газовой среде в меньшей степени искажается и рассеивается. Таким образом, в газовых лазерах легче достичь монохроматичности и направленности излучения.

Из-за того что взаимодействие между частицами газа мало, в газовой среде отсутствуют полосы поглощения, характерные для рассмотренных выше кристаллических тел. Поэтому облучение газа светом не приводит к инверсии заселенностей. Но, как поется в песенке, неприятность эту мы переживем. Оказывается, что в газовой среде инверсия заселенностей создается под действием электрического разряда. Поэтому в подавляющем большинстве газовых лазеров накачку производят именно электрическим разрядом. Такие лазеры называются газоразрядными. Давайте разберемся с механизмом накачки газоразрядных лазеров.

Рис. II.10. Передача энергии между атомами дву х сортов.

В электрическом разряде образуются ионы и свободные электроны, которые под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию. Когда электрон сталкивается с нейтральным атомом, он передает ему часть энергии, и атом переходит в возбужденное состояние. А что делают ионы? Они значительно тяжелее электронов, поэтому разгоняются слабо и приобретают маленькую скорость и, как следствие, значительно реже сталкиваются с атомами. Практически никакого влияния на возбуждение нейтральных атомов они не оказывают, поэтому столкновения ионов с атомами газа мы рассматривать не будем. Следовательно, процесс возбуждения атома газа под действием электрического разряда записывается следующим образом:

,

где – электрон, – атом в основном состоянии, – атом в возбужденном состоянии. Если, к тому же, возбужденное состояние является долгоживущим, а накачка производится с надлежащей интенсивностью, то будет создаваться инверсия заселенностей по отношению к основному состоянию. Во многих случаях, однако, такой процесс создания инверсии бывает затруднен по ряду причин.

Избавиться от этих трудностей позволяет одно замечательное свойство газовых лазеров. Для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта в процессе столкновений между ними. Как это может нам помочь? Давайте представим, что

у нас есть газ сорта (рис. II.10), который легко переводится в возбужденное состояние, но в котором, к сожалению, переходы обратно в основное состояние являются безызлучательными. И

пусть у нас имеется газ сорта , в котором возможны излучательные переходы, но накачка на соответствующие уровни затруднена. Но теперь мы знаем об упомянутом замечательном свойстве

газа! Возьмем теперь в качестве активной среды смесь газов и . Газ сорта , в данном случае, будет вспомогательным (его еще называют буферным); он является донором энергии возбужде-

ния. Газ сорта является рабочим. Процесс накачки теперь будет осуществляться в два этапа. Сначала будут возбуждаться частицы вспомогательного газа, затем в процессах неупругих1 столк-

1 Неупругими мы здесь называем сто лкновение дву х или более частиц, в процессе которого происхо дит изменение вну треннего состояния хо тя бы одной из них.

38

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

новений энергия будет передаваться от газа носителя частицам рабочего газа, а те, в свою очередь, будут заселять верхний лазерный уровень.

В данном случае необходимо учитывать, что передача энергии от частиц одного сорта частицам другого будет происходить тем вероятнее, чем более точно совпадают уровни энергий сталкивающихся частиц. На рис. II.10 разность энергий между двумя соответствующими возбужден-

жденного состояния атомов буферного газа несколько больше энергии соответствующего состоя-

И, наконец, надо заметить, что верхний уровень энергии вспомогательного газа должен быть долгоживущим, чтобы атом этого газа не потерял энергию до столкновения с атомом рабочего газа. Одним из самых распространенных лазеров, работающих по такой схеме, является гелийнеоновый лазер, который, к тому же, является первым в истории газовым лазером.

Гелий-неоновый лазер

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона Ne. Накачка, естественно, осуществляется электрическим разрядом. Атомы неона при столкновении с электронами могут переходить на возбужденные уровни , , (рис. II.11). Уровни и – сравнительно долгоживущие, а уровень – короткоживущий. Однако между ними не образуется инверсии из-за долгоживущего уровня , который, в значительной степени заполняется при столкновении атомов с электронами; кроме того, переходы с уровня на основной уровень являются безызлучательными. Как видите, в чистом неоне создать инверсию трудно. И эту трудность обходят введением в газоразрядную трубку гелия.

Рис. II.11. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде.

Энергии первых двух возбужденных уровней гелия (они обозначены через и ) практи-

ними атомами или со стенками газоразрядной трубки. На рис. II.11 указаны далеко не все уровни атома неона. И надо сказать, что на самом деле гелий-неоновый лазер генерирует излучение с

39

На пути в эру нанотехнологий…

Рис. II.12. Схема устройства гелий-неонового лазера: 1 – газоразрядная трубка, 2 – выходные окошки, расположенные под углом Брюстера.

Схема устройства гелий-неонового лазера показана на рис. II.12. В современных лазерах газоразрядные трубки 1 делают с очень маленьким внутренним диаметром порядка мм при длине см. Это делается для того чтобы атомы газа как можно чаще соударялись со стенками трубки, т.е. происходило опустошение уровня .

Надо сказать, что коэффициент усиления газоразрядных лазеров мал (% на 1 м), поэтому необходимо, чтобы излучение выходило из газоразрядной трубки с минимальными потерями. Для этого на концах трубки устанавливают специальные окошки 2, расположенные под углом Брюстера (см. [6]) к оси трубки. Таким образом, для одной из поляризаций потери на отражение от окошек исчезают.

Малый коэффициент усиления требует также, чтобы зеркала резонатора имели очень вы-

сокие коэффициенты отражения. Обычно %,%. Зеркала резонатора специально не помещают внутрь газоразрядной трубки, так как они быстро портятся в разряде. Поэтому используются конструкции, в которых газоразрядную трубку, снабженную специальными окошками, помещают внутрь резонатора. Кстати, для получения генерации в видимой области, лазер снабжается специальными зеркалами, которые имеют высокий коэффициент отражения только для волн видимого диапазона.

Эксимерные лазеры

Вы, наверняка, слышали о современных клиниках «Эксимер», в которых с помощью лазерной операции корректируют зрение. Так вот, основным инструментом в этих клиниках как раз и является эксимерный лазер. Прежде чем мы попытаемся разобраться, как он работает, познакомимся сначала с самим понятием эксимер.

Рис. II.13. Энергетические уровни э ксимерного лазера.

Рассмотрим вещество, состоящее из нейтральных атомов , например, инертный газ. Зависимость энергии взаимодействия атомов от расстояния между ними, соответствует нижней кривой на рис. II.13. Таким образом, если атомы находятся в основном состоянии, то они будут взаимно отталкиваться друг от друга, т.е. не смогут образовать молекулу . Говорят, что в основном состоянии такие атомы существуют лишь в мономерной форме. Однако если каким-то образом пе-

ревести атомы в возбужденное состояние , то они смогут образовывать молекулы . Действительно, на верхней кривой, соответствующей зависимости энергии взаимодействия возбужденных атомов от их расстояния, мы видим минимум. Таким образом, возможно существование димерной формы. Но так как такой димер существует только в возбужденном состоянии, то его называют эксимером (сокращенно от excited dimer – возбужденный димер).

40