книги из ГПНТБ / Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие

из основного состояния иона. Как показывают теоретические оценки, между двумя близко лежащими (по сравнению с их расстоянием до основного энергетического уровня) энергетическими уровнями инвер­ сия населенностей создается в том случае, если время жизни верх­ него уровня больше, чем нижнего. По результатам измерений времена жизни уровней 4р иона аргона в несколько раз превышают времена жизни уровней 4s, т. е. между этими группами уровней возможно создание инверсной населенности.

В настоящее время в ионном аргоновом лазере в непрерывном ре­ жиме получена генерация на девяти линиях в интервале длин волн от 0,4545 до 0,5145 мкм. Коэффициент полезного действия аргонового лазера невелик: 0,01 -г- 0,1%.

Отметим прежде всего чисто технические причины. Иногда на неко­ торых газовых переходах инверсия населенностей создается лишь при достаточно высоких разрядных токах. Такие высокие разрядные токи невозможно использовать в непрерывном режиме работы хотя бы из-за трудностей с тепловым режимом трубки. В импульсном же

пульсным позволяет использовать в газовом лазере принципиально другие физические процессы. Например, если в условиях стационар­ ного разряда возбуждаются нижние энергетические уровни одноза­ рядных ионов, то в импульсном разряде возможно возбуждение ниж­ них энергетических уровней многозарядных ионов. У многозарядных ионов расстояния между уровнями больше, и переходы могут попа­ дать в ультрафиолетовую область спектра. В большинстве случаев генерация в ультрафиолетовой области спектра связана как раз с пере­ ходами между уровнями многозарядных ионов.

Другой особенностью импульсного режима является возможность использования для создания инверсной населенности нестационар­ ных процессов в плазме газового разряда. На рис. 10.6 показано, каким

верхнего и нижнего рабочих уровней в течение импульса. На переднем фронте токового импульса преимущественно заселяется верхний уро­ вень. График населенности верхнего рабочего уровня резко нарастает как функция времени, но затем наступает насыщение и населенность верхнего уровня практически не зависит от времени. Как показано на графике, нижний рабочий уровень заселяется вначале более медлен­ но, но когда населенность верхнего уровня достигла насыщения, населенность нижнего уровня продолжает расти и становится больше населенности верхнего уровня. На рис. 10.6, в показана временная зависимость разности населенностей между верхним и нижним рабочими уровнями. Видно, что в начале импульса населенность верхнего уров-

270

ня больше, затем населенности сравниваются, далее населенность больше на нижнем уровне. Наконец, на рис. 10.6, г показано превы­ шение разности населенностей над пороговой разностью населенностей. Генератор работает в течение отрезка времени be, т. е. пока инверсная населенность превышает пороговую. Все проведенные рассуждения относились к переднему фронту токового импульса. Здесь же показано, например, каким образом ин-

к. п. д. будет еще меньше. К- п. д. лазеров можно увеличить, если использовать в качестве рабочих энергетические уровни, располо­ женные близко к основному состоянию. Такими являются, например, колебательные уровни молекул. На рис. 10.7 показаны возможные ко­ лебания в молекуле С 0 2 . Это линейная симметричная молекула, у ко­ торой атом углерода располагается между двумя атомами кислорода.

271

кислый газ используется в смеси с азотом. При возникновении газового разряда углекислый газ диссоциирует на кислород и окись углерода:

2СОа ->-2СО + Оа .

Таким образом, в газовом разряде, кроме молекул углекислого газа (С02 ) и азота (N2 ), есть еще угарный газ (СО). Механизм создания инверсной населенности в таком лазере выглядит следующим образом.

272

релаксации верхнего лазерного уровня (4) и увеличивает выходную мощность лазера.

Добавление Не — газа, обладающего высокой теплопроводностью, улучшает также условия теплоотвода из центральной части газового разряда. Определенную роль в увеличении населенности верхних уровней лазерных переходов в лазере С 0 2 играют каскадные переходы

щего элементарную основу для понимания этих процессов, так и при

§ 10.6. Провал Лэмба — Беннета. Исследование стабильности излучения квантовых устройств

Газовый лазер во многом схож с лазером на твердом теле, однако сеть и значительные отличия. Наиболее интересным из них является появление провала на зависимости выходной мощности лазера от ча­ стоты генерации, носящего название «провала Лэмба—Беннета».

Зависимость выходной мощности лазера от частоты генерации по существу повторяет зависимость коэффициента усиления активной среды лазера от частоты. Обычно ее получают при плавной перестрой­ ке частоты резонатора в пределах ширины линии лазерного перехода. Если электромагнитное поле в резонаторе лазера слабое (лазер ра­ ботает вблизи порога самовозбуждения), то зависимость выходной мощности лазера от частоты генерации практически повторяет форму спектральной линии перехода (строго говоря, не всей линии, а только ее части, близкой к вершине). Если же электромагнитное поле в резона­ торе лазера достаточно сильное, то на зависимости выходной мощ­ ности газового лазера от частоты генерации в области вершины спек­ тральной линии перехода появляется узкий провал. Наличие провала показывает, что коэффициент усиления газового лазера в области вер­ шины спектральной линии тоже имеет провал. Это новое качественное явление, характерное только для газовых лазеров, обусловлено двумя факторами: 1) спектральная линия перехода, в газовой среде являет­ ся допплеровски уширенной линией; 2) эффект насыщения.

Рассмотрим газовый лазер, в котором возбужден всего один про­ дольный тип колебаний. Для выяснения причин появления провала

273

Лемба—Беннета напомним, что допплеровски уширенная линия в га­ зовой среде образуется за счет теплового движения частиц (атомов),,

противоположную по направлению. Величина скорости определяется

только в атомами, скорости которых точно определены равенством (10.15), но и с атомами, скорости которых лежат в некотором узком интервале вокруг скорости, определяемой равенством (10.15). В ре­ зультате на кривой коэффициента усиления при сильном поле (эф­ фект насыщения), появляются два провала, симметрично располо­ женных относительно максимума коэффициента усиления (рис. 10.9).

Такая картина будет иметь место, если частота типа колебаний ѵ не равна частоте вершины спектральной линии ѵ0 . Если же частоты ѵ и ѵ0 равны между собой, то, как видно из равенства (10.15), единствен­ ной группой атомов, эффективно взаимодействующей с обеими бе­ гущими волнами, будет группа атомов с ѵ — 0. Если раньше две раз­ личные группы атомов эффективно взаимодействовали каждая со своей бегущей волной, то теперь одна и та же группа атомов эффективно взаимодействует с обеими бегущими волнами. Эффект насыщения пропорционален квадрату амплитуды электрического поля волны (для электрических дипольных переходов), взаимодействующей с ато­ мом. Поскольку при V = ѵ0 с атомом эффективно взаимодействуют обе

274

бегущие волны, амплитуда электрического поля, действующего на атом, возрастает вдвое, а квадрат амплитуды в 4 раза. Таким образом, в области V « ѵе эффект насыщения проявляется сильнее, и в резуль­ тате на зависимости выходной мощности газового лазера от частоты

в газовой среде. Хорошо сформулировавшийся провал имеет ширину порядка ширины однородной линии перехода, т. е. обычно он намного уже ширины допплеровски уширенной линии. Так, в Не—Ne лазере

зации выходных параметров излучения квантовых устройств, прежде всего стабилизации частоты излучения.

Наиболее интенсивные работы по исследованию стабильности часто­ ты лазерного излучения ведутся с газовыми лазерами. В ширину спектральной линии рабочего перехода лазеров попадает несколько высокодобротных собственных типов колебаний резонатора. Поэтому частоты лазерного излучения практически определяются частотами собственных типов колебаний резонатора и изменяются с изменением параметров резонатора.

Уже первые исследования стабильности частоты излучения газового лазера показали, что частота генерации сильно «дрейфует» за счет изменения параметров резонатора. Для улучшения стабильности ча­ стоты излучения газового лазера необходимо подстраивать частоту оптического резонатора, используя какой-либо частотный репер. Таким репером может являться, например, вершина допплеровски уширенной спектральной линии перехода. В качестве репера можно использо­ вать также узкий провал Лэмба—Беннета. На этой основе созданы квантовые стандарты частоты в оптическом диапазоне.

§ 10.7. Некоторые применения лазеров

Л А З Е Р Н А Я СВЯЗЬ И Л О К А Ц И Я .

М Е Т О Д Ы М О Д У Л Я Ц И И И З Л У Ч Е Н И Я Л А З Е Р О В

В настоящее время изучаются различные системы связи и локации на основе лазеров, а некоторые из них реализованы экспериментально. Лазеры имеют два явных преимущества перед системами радиосвязи и радиолокации.

Во-первых, радиоволны расходятся от антенны под большим углом, поэтому при осуществлении радиосвязи и локации на больших рас­ стояниях лишь небольшая доля энергии волны достигает нужного объекта. Приведем пример из области радиолокации такого сравни­ тельно близкого к Земле небесного тела, как Луна.

Для локации в фокусе зеркала радиотелескопа ставится излуча­ тель радиоволн. Зеркало преобразует расходящийся от точечного

275

источника пучок радиоволн в почти параллельный. Но вследствие

диаметр антенны. Для оценки примем диаметр зеркала радиотелеско­

Лазерное излучение существенно более направленно. Если исполь­ зовать для локации Луны световую волну (к = 1 мкм), то для зеркала диаметром всего 10 см tg ф w 10'5 рад, а 2Х tg ф = 6 км, т. е. све­ товое пятно на Луне во много раз меньше, чем «радиопятно».

Во-вторых, частота колебаний световой волны во много раз выше частоты радиоволны, что позволяет с помощью световой волны пере­ давать сигнал в полосе частот примерно 1000 Мгц. Для передачи теле­ визионного изображения нужна полоса частот в несколько мегагерц. Это означает, что один лазерный луч может обеспечивать одновремен­ ную передачу около 200 телевизионных каналов. В настоящее время, как известно, телевизионные передачи ведутся в диапазоне УКВ и один «радиолуч» может обеспечить передачу только одного телевизионного канала.

Однако, кроме этих неоспоримых преимуществ, в практической реализации лазерных линий связи имеются и значительные трудности. Это прежде всего трудности, связанные с распространением лазерного луча в атмосфере. Дело в том, что на проходящий лазерный луч за­ метное влияние оказывает земная атмосфера: рассеяние на частицах пыли, дождя и т. д., искажения луча за счет турбулентностей атмосфе­ ры и даже сильное поглощение луча в атмосфере (правда в области спектра от 8 до 14 мкм в атмосфере имеются так называемые окна про­ зрачности).

На практике возникает также проблема реализации потенциаль­ ной ширины полосы модуляции. Имеется несколько методов модуля­ ции лазерного излучения, но пока неясно, какой из них следует счи­ тать более перспективным. Возможна внешняя и внутренняя модуля­ ция излучения лазера. Очень перспективна модуляция лазерного излучения с использованием кристалла KDP. Луч света, проходя через кристалл KDP, к которому приложено модулирующее электриче­ ское поле, становится плоскополяризованным, причем направление поляризации изменяется с модуляцией приложенного к кристаллу электрического поля. Далее луч проходит через анализатор, который пропускает его с определенным направлением поляризации. Так как направление поляризации светового луча, попадающего на анализа­ тор, модулировано, то луч, прошедший через анализатор, становится модулированным по амплитуде. Для практических целей важно ре­ шить также вопросы приема и демодуляции излучения.

•276

И З М Е Р Е Н И Е УГЛОВЫХ СКОРОСТЕ Й

Лазер может служить для измерения угловых скоростей. Для этого используется кольцевой лазер, простейшая схема которого приведена на рис. 10.10.

стояний (лазерные дальномеры). Здесь расстояние измеряется по времени прохождения светового сигнала до объекта, которое затем умножается на величину скорости света. С другой стороны, лазерное излучение используется для измерения сравнительно небольших рас­ стояний (до 100 м) с помощью интерферометров. Для этого применяется двухлучевой интерферометр Майкельсона. Изменение длины одного из плеч интерферометра приводит к перемещению колец в интерферен­ ционной картине, наблюдаемой на экране. При изменении длины плеча интерферометра на К/2 разность хода лучей в плечах интерферометра изменяется на К; при этом кольца интерференционной картины стя­ гиваются к центру и одно кольцо исчезает. По числу переместившихся колец на интерференционной картине определяется число длин волн лазерного излучения, укладывающихся на измеряемом расстоянии и, следовательно, само расстояние.

Один из наиболее интересных приборов, созданных квантовой элек­ троникой для измерения малых расстояний (смещений), — это лазер­ ный интерферометр с длиной плеча 1020 м. Интерферометр предназна­ чен для измерения деформаций земной коры. Он установлен в гранитном

277

туннеле и измеряет деформации земной коры в точностью 3 • Ю - 7 ем. Точность определяется колебаниями плотноати воздуха в промежут­ ке между зеркалами интерферометра, хотя в этой облавти создается вакуум 10~s мм рт. ст.

Л А З Е Р Н А Я О Б Р А Б О Т К А М А Т Е Р И А Л О В

Важнейшим свойством лазерного излучения является возможность фокусировать его на малые площадки. Это тесно связано о узостью спектра лазерного излучения, ибо излучение, близкое к монохромати­ ческому, можно сфокусировать на площадку диаметром по порядку, равным длине волны излучения.

Если сфокусировать поток мощного когерентного лазерного излу­ чения на площадку диаметром 10 Ч- 100 мкм, то удается получить световые потоки мощностью 101 2 ~ 1016 вт[смг. Такие потоки могут успешно использоваться для лазерной обработки материалов. Речь идет прежде всего о сверлении, пайке и плавлении некоторых непро­ зрачных для лазерного излучения тугоплавких материалов, обработка которых обычными способами (газовая и дуговая сварка, кислородное и ацетиленовое пламя, электронный пучок) недоступна или затруднена. Например, пробивание отверстий в алмазах с помощью лазеров поз­ воляет проводить эту операцию за 2 мин, в то время как до использо­ вания лазеров на нее уходило 2—3 дня. Сверление тонких (от несколь­ ких микрометров) отверстий в тугоплавких материалах проводится очень эффективно о помощью мощных лазеров. Мощный сфокусиро­ ванный световой пучок обеспечивает локальность воздействия на кро­ шечные участки поверхности образца; при этом соседние участки образ­ ца практически не подвергаются лазерному воздействию.

Наиболее широко применяются мощные лазеры в микроэлектрони­ ке, где они позволяют производить сварку различных соединений для микросхем, травление микросхем, изготовление электронно-дырочных переходов и т. д.

Д И А Г Н О С Т И К А П Л А З М Ы

Излучение лазеров широко используется для диагностики плазмы. Дело в том, что показатель преломления плазмы п как функция ча­ стоты излучения со сильно зависит от плотности электронов в 1 см3 плазмы (пе), а именно:

Поэтому, измеряя показатель преломления плазмы как функцию частоты, можно определить электронную плотность в плазме.

Л А З Е Р Ы В М Е Д И Ц И Н Е

Медицина представляет широкое поле деятельности для применения лазеров. Это прежде всего возможность проведения тончайших хи­ рургических операций, в которых лазерный луч играет роль хирурги-

278