книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров
.pdfные, то через них будет выходить световой пу чок огромной яркости в направлении, перпен дикулярном зеркалам.
Сам процесс образования излучения кван тового генератора, когда кванты вызывают себе подобные, приводит к тому, что все лучи оказываются согласованными между собой по частоте и фазе, т. е., как говорят, когерентны. Кроме того, генерируемое излучение распро страняется очень узким пучком (в малом те лесном угле). Для каждой активной среды имеется свой вполне определенный цвет луча, т. е. своя длина электромагнитной волны.
Из биографии лазеров. Хотя идея Эйн штейна о существовании вынужденного излу чения была известна уже давно, однако толь ко через несколько десятилетий, в 1954 г., советским физикам Н. Г. Басову и А. М. Про хорову и одновременно американскому учено му Ч. Таунсу удалось впервые наблюдать и использовать вынужденное излучение. За пят надцать лет до этого, в 1939 г., молодой мос ковский физик В. А. Фабрикант в своей док торской диссертации обосновал возможность использования вынужденного излучения для создания среды, усиливающей свет. Война прервала эти работы, но уже в 1951 г. В. А. Фабрикант с группой сотрудников офор мил авторскую заявку на изобретение, в которой «предлагается способ усиления элек тромагнитного излучения, основанный на использовании явления индуцированного испу скания, теоретически разработанного Эйн штейном в 1917 г. Способ пригоден для усиле-
18
А
нйя ультрафиолетового, видимого, инфракрас ного и радиодиапазонов...»
Примерно в это же время в Физическом институте Академии наук СССР детальным изучением вынужденного излучения занима лись бывшие фронтовики, учитель и ученик — А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. В 1954 г. их замечательные исследования увенчались успехом — был создан на аммиаке первый квантовый генератор сверхвысоких частот. Активная среда в генераторе состояла из воз бужденных молекул аммиака, которые отде лялись от невозбужденных частиц с помощью неоднородного электрического поля. Это был квантовый генератор не световых волн, не лазер, а генератор микроволнового диапазо н а — мазер. За создание молекулярных гене раторов и усилителей Н. Г. Басов и А. М. Про хоров в 1959 г. были удостоены Ленинской
премии. |
дальнейших |
исследований |
|
В |
процессе |
||
Н. Г. |
Басов и А. |
М. Прохоров, |
а также уче |
ные США А. Шавлов и Ч. Таунс в 1958 г. по казали, что можно получить генерацию види мого света. Через два года Т. Мейман по строил первый импульсный генератор света на рубине. В конце 1961 г. А. Джаван создает газовый генератор непрерывного действия, а в следующем году в СССР и в США появ ляются первые полупроводниковые оптические квантовые генераторы. За разработку и созда ние первых полупроводниковых лазеров боль шой коллектив советских ученых был удостоен в 1964 г. Ленинской премии.
|
Успешно стала развиваться новая наука — |
2* |
19 |
квантовая электроника, которая буквально за несколько лет достигла огромных успехов. Большой вклад в развитие этой науки внесли советские ученые. Осенью 1963 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову, а также Ч. Таунсу за фун даментальные работы по квантовой электро нике была присуждена Нобелевская премия.
Новым крупным достижением в развитии квантовой электроники явилось создание лазе ров на растворах органических красителей. Возможность получения генерации на таких объектах впервые была теоретически обосно вана еще в 1964 г. в работах белорусского фи зика Б. И. Степанова и его ученика А. Н. Рубинова. В конце 1966 г. сотрудники Института физики Академии наук БССР А. Н. Рубинов и В. А. Мостовников под руководством Б. И. Степанова осуществили генерацию рас творов многих органических красителей при возбуждении излучением рубинового лазера. В следующем году эти вещества загенерировали при накачке обычными лампами-вспыш ками. К концу 1967 г. в лаборатории Б. И. Сте панова для генерации использовалось уже свыше 50 красителей. Это открыло совершен но новый этап в практическом использовании лазерного излучения, поскольку появилась
возможность |
варьировать |
частоту генерации |
|
в широких |
пределах |
от |
ультрафиолета до |
инфракрасной области |
спектра. |
||
С е м е й с тв о л а зе р о в
Генерирующие вещества. С мо мента появления первого оптическо го квантового генератора на рубине прошло совсем немного времени, однако за этот короткий срок полу чена генерация на сотнях новых объектов. Сюда входят кристаллы, стекла, пластмассы, газы, жидкости, полупроводники и т. д. Удалось за ставить генерировать обычные пары воды и даже воздух. Создан новый класс газовых лазеров, в которых используются энергетические пере ходы не нейтральных, а ионизиро ванных атомов —• так называемые ионные лазеры. Становится очевид ным, что стимулированное испуска ние является свойством не от дельных избранных соединений, а характерно для подавляющего боль шинства газообразных, жидких и твердых веществ. Невозможность получения генерации на определен ном объекте следует рассматривать не как правило, а скорее как исклю чение.
Излучение существующих опти ческих квантовых генераторов охва-
21
тывает широкий диапазон волн. Самое коротко волновое излучение получено от лазера на стекле с примесью ионов гадолиния. Оно имеет длину волны 0,313 мкм и относится к ультра фиолетовому участку спектра. Газовый лазер на неоне дает самое длинноволновое излучение с Л= 133 мкм. Это излучение примыкает к ко ротким радиоволнам, полученным радиотехни ческими способами.
Оптические квантовые генераторы в зави симости от свойств вещества можно разделить на три основные группы. К первой относятся лазеры с оптической накачкой на кристаллах, стеклах, жидкостях и пластмассах. Вторую группу образуют генераторы на газовых сме сях, а также ионные лазеры. Для их возбу ждения применяется обычно переменное элек тромагнитное поле или постоянный ток. Лишь в нескольких случаях в генераторах на газо вых смесях используется оптическая накачка. К третьей группе относятся полупроводнико вые лазеры.
Остановимся более подробно на оптиче ских квантовых генераторах каждой из этих групп.
Лазеры на твердом теле и жидкостях. От личительной особенностью лазеров этой груп пы является оптическая накачка, а также большая энергия и мощность генерируемого излучения.' Они работают, как правило, в им пульсном режиме при небольшой частоте повторения вспышек. Только немногие генера торы работают в непрерывном режиме, кото рый получен, в частности, на стекле с при месью неодима при комнатной температуре.
22
на кристаллах фтористого кальция с примесью диспрозия при температуре 77°К, на рубине при той же температуре и еще иа некоторых веществах.
Исторически первыми были лазеры на твердом теле. В разросшейся семье лазеров эти генераторы и теперь составляют большую группу. Наиболее типичными представителями их являются рубиновые лазеры, лазеры на стекле с добавкой неодима, лазеры на кри сталлах с добавками урана, самария, диспро зия и т. д.
Частицы активного вещества обладают большим числом энергетических уровней, но в процессе генерации участвуют лишь несколь ко из них. В первом приближении работу лю бого твердотельного лазера можно изучить на примере трехили четырехуровневой модели. Основное различие между ними заключается в том, что в трехуровневых генераторах инверс ная населенность создается между одним из возбужденных состояний и основным уровнем, а в четырехуровневых — между двумя возбуж денными уровнями. В соответствии с этим ла зеры делятся на трехуровневые и четырехуров невые. В ряде случаев одно и то же вещество может генерировать как по трехуровневой, так и по четырехуровневой схемам, например не которые газы.
Типичным, можно сказать, классическим генератором, работающим по трехуровневой схеме, является рубиновый лазер. Активной средой в нем служит рубин — кристалл окиси алюминия А1г03 с примесыо ионов хрома Сг+3, от 0,05 до 0,5% • В зависимости от концентра
23
ции ионов хрома, которые играют роль актив ных частиц, цвет рубина изменяется от розо вого до насыщенного красного. Рубину в лазе рах обычно придается форма цилиндра. Ис пользуются стержни длиной от нескольких сан тиметров до полуметра. Вырастить такой кристалл само по себе большое искусство, а ведь это только начало. Кристалл надо еще обработать с высокой точностью, сделать тор цы активных стержней плоскими и строго параллельными.
На торцы рубиновых стержней в первых генераторах наносились полупрозрачные отра жающие покрытия. В последнее время чаще используются внешние зеркала, образующие резонатор, а для накачки используется мощ
ный световой |
поток от |
импульсной лампы. |
В частности, |
в первом |
генераторе Меймана |
лампа имела спиральную форму (см. схему на стр. 25). В дальнейшем наряду со спираль ными стали применяться И-образные и пря мые цилиндрические лампы, которые распо лагаются в осветителе вблизи рубина.
Чтобы получить генерацию, вначале заря жают батарею конденсаторов до энергии в не сколько тысяч джоулей, затем производят разряд конденсаторов через лампу, которая освещает рубиновый стержень мощным крат ковременным световым потоком. В процессе генерации участвуют три энергетических уров ня хрома (см. рис. на стр. 25). При облучении рубина светом мощной импульсной лампы ионы хрома возбуждаются, поглощая радиа цию ламп в зеленой и желтой частях спектра, и переходят с основного уровня 1 на уровень 3,
24
С уровня 3 ионы хрома почти мгновенно пе реходят на уровень 2, на котором они могут задерживаться сравнительно долго. Это позво ляет создать избыток частиц на втором уровне по сравнению с первым.
Схема рубинового лазера:
1 — рубиновый стержень; 2 — импульсная лампа накачки; 3 и 4— зеркала, образующие резонатор; 5—ба тарея конденсаторов
Следовательно, при облучении рубина мощ ным световым потоком создается активная
среда, готовая к излучению. В таком |
возбуж |
||||||
денном |
стержне происхо |
|
|
|
|||
дит |
лавинное нарастание |
|
|
|
|||
квантов |
света, |
распро |
| . |
|
|
||
страняющихся |
вдоль оси |
■Генерация |
|||||
I 1 |
|||||||
цилиндра перпендикуляр |
— |
1 |
|||||
но зеркалам. В результа |
|
|
|
||||
те рубин испускает мощ- |
энергетическая |
схема |
|||||
ныи |
световой |
импульс |
трехуровневого |
ОКГ |
|||
красного |
цвета |
с длиной |
|
|
|
||
волны Х—694 мкм, соответствующей переходу частиц со второго на основной уровень.
Таким образом, рубиновый лазер превра щает ненаправленное, беспорядочное излуче ние от лампы-вспышки в остронаправленный луч красного цвета. Благодаря широким,
25
полосам поглощения, обусловленным сравни тельно большой шириной возбужденных уров ней, в рубин можно ввести большую энергию возбуждения. В первых рубиновых лазерах энергия генерируемого луча за одну вспышку составляла несколько джоулей. Наибольшая энергия за один импульс, полученная от руби новых лазеров в последнее время, равна 1500 дж. Такое значительное увеличение уда лось осуществить путем удлинения рубиновых стержней, улучшения их качества и усовер шенствования способов накачки.
Лазеры на рубине работают, как правило, в импульсном режиме, так как мощность, не обходимая для накачки рубина, очень велика и может быть получена в основном от импульс ных ламп. Осуществлен также и непрерывный режим работы генераторов на рубине, однако излучаемая при этом энергия очень мала и составляет всего несколько милливатт.
Угол расхождения лучей первых лазеров был равен приблизительно половине градуса. Сейчас существуют генераторы на рубине с углом расходимости излучения в несколько минут. Так, например, оптический квантовый генератор на рубине, использованный совет скими учеными для световой локации Луны, имел расхождение пучка в 3 угловых минуты.
Мощность генерируемого излучения равна его энергии, деленной на время свечения. Для рубиновых и других твердотельных лазеров это время обычно составляет десятитысячные доли секунды, что позволяет получать боль шие мощности световых потоков. Средние по размерам образцы рубиновых лазеров ис
26
пускают световую энергию в несколько десят ков джоулей, что соответствует мощности из лучения в несколько десятков киловатт.
Сокращая время свечения лазера, можно резко увеличить мощность генерируемого из лучения при одной и той же энергии, запасен ной в активной среде. Разработка специаль ных устройств, включающих резонатор на очень короткое время, позволила получить значительно более мощные световые потоки. Кратковременное включение лазера осущест вляется, в частности, при помощи резонатора, у которого одно из зеркал вращается с боль шой скоростью — примерно несколько десят ков тысяч оборотов в минуту. Из-за вращения зеркала отраженный от него луч направлен вдоль оси резонатора только в течение корот кого промежутка времени. В это мгновение и происходит генерация. В остальное время энергия только накапливается. В качестве мгновенных затворов используются и другие устройства. Лазеры, генерирующие в течение очень коротких промежутков времени, назы вают генераторами с импульсной доброт ностью, а получающиеся при этом мощные све товые вспышки — гигантскими импульсами. В таких генераторах выигрыша в энергии не получается, поскольку увеличение мощности излучения достигается за счет сокращения времени свечения.
Самая большая мощность лазерного излу чения в 20 миллиардов ватт при полной энер гии в 100 дж за импульс получена недавно в Физическом институте Академии наук СССР
на лазере из неодимового стекла, состоящем
27