Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

химических реакциях. За эти работы американский физик А. Зевейл был удостоен

активным элементом в таких лазерах была жидкая струя раствора с красителем,

текущая сквозь резонатор и накачиваемая внешним лазерным пучком. Лампы накачки не годились из-за особенностей красителя, так что в таких системах один лазер был источником накачки для другого. Серьезной проблемой этих лазеров ограниченный срок службы красителей. Они постепенно разлагались и утрачивали

количество научных результатов [42] .

На рубеже 80 - 90-х гг. прошлого века появились и быстро распространились

твердотельные активные элементы на основе титана в сапфире и хрома

в форстерите. Лазеры на основе этих сред также требуют лазерную накачку, но они гораздо практичнее и долговечнее лазеров на красителе. При этом ширина спектра титана в сапфире такова, что непосредственно из лазера, без хитроумных методов нелинейной оптики, в режиме синхронизации мод можно получать импульсы короче 10 фемтосекунд. Они уже к середине 90-х почти полностью вытеснили лазеры на органических красителях в научных лабораториях, а относительная простота обслуживания таких лазеров позволила, наконец, выйти фемтосекундным лазерам из лабораторий ученых области их практического использования.

Для справки – за 10 фемтосекунд свет проходит в вакууме всего 3 микрометра,

а сам импульс состоит всего из нескольких оптических колебаний.

Настоящим прорывом в фемтосекундной технике явилось изобретение метода усиления фемтосекундных импульсов, известного в англоязычной литературе как

CPA, сокращение от «chirped pulse amplification», что в переводе означает

«усиление чирпированных импульсов». «Чирпированных» означает предварительно расширенных по длительности [16].

11

За изобретение этого метода французский физик Жерар Муру, работающий в

США, совместно с канадской ученой Донной Стрикленд в 2018 году получили Нобелевскую премию. Их работа оказалось такой значимой из-за того, что длительность фемтосекундных импульсов настолько мала, уже при наноджоульных

энергиях достигается пиковая мощность в сотни киловатт. При использовании

«обычных» лазерных усилителей, т. е. тех, которые в 60 - 70-х гг. были освоены для наносекундных импульсов, при высоких мощностях очень быстро начинаются проблемы. Уже при микроджоульном уровне энергии фемтосекундный импульс достигает столь большой пиковой мощности, что может испытать бесконтрольное нелинейно-оптическое взаимодействие с усиливающей его активной средой. Это

импульсов, разработанный Муру и Стрикленд, позволяет сначала растянуть фемтосекундный импульс, превратив его, например, в наносекундный и снизив его пиковую интенсивность до безопасного для усилителя значения, затем безопасно

усилить импульс до нужной энергии и, наконец, «сжать» его обратно

до фемтосекундной длительности, но уже при гораздо большей энергии.

Таким способом можно получить импульсы с очень большой пиковой мощностью. Так, импульс энергией 1 джоуль и длительностью 100 фемтосекунд имеет мощность 10 тераватт. Причем такой импульс можно сфокусировать в пятно размером в несколько микрометров. Достигаемая при этом интенсивность света настолько велика, что ее практически не с чем сравнить. Поле самого атома, в

котором до взаимодействия с импульсом находился электрон, вообще говоря,

становится ничтожно малой добавкой к лазерному полю. Электроны в таких условиях менее чем за одно оптическое колебание разгоняются до скорости света и

«тяжелеют» из-за эффектов общей теории относительности - формируется

«релятивистская плазма». Такими тераваттными импульсами можно ускорять элементарные частицы, инициировать термоядерные реакции, моделировать астрофизические процессы [16] .

12

Исследования в этой области относятся к переднему краю современной лазерной

физики.

13

Глава 2. Виды лазеров

Все многообразие лазеров принято разделять на: твердотельные, газовые,

жидкостные. Но, связи с тем, что в последнее время развитие и практическое использование получили полупроводниковые и волоконно-оптические лазеры, их стали выделять в отдельные классы, несмотря на то, что они в общем случае являются твердотельными. Ниже, в этой главе, они будут рассмотрены отдельно,

как самостоятельные классы лазеров [9] .

§ 2.1 Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры это лазеры, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии [5- 9] .

Активной средой в твердотельных лазерах служат диэлектрические кристаллы или специальные стекла. Примером такого лазера является лазер на рубине, который генерирует излучение темно-красного цвета с длиной волны около 0,69 мкм.

Различные стекла для лазеров активируют редкоземельными элементами.

Генерируемое излучение у лазеров на стеклах может быть разной длины волны, в

частности, 1,06 мкм для лазера на стекле с Nd3+.

Для твердотельных лазеров применяют исключительно оптическую накачку,

например, в виде излучения газоразрядных ламп или ламп накаливания или полупроводниковых лазеров.

В настоящее время диэлектрические лазеры реализованы примерно на 300

кристаллах и на десятках типов стекол.

К твердотельным относятся также лазеры, в которых в качестве активной среды используются различные стекла и кристаллы, активированные редкоземельными элементами.

В твердотельных лазерах излучающий материал распределен в твердой матрице (например, лазеры на рубине или неодим:иттрий-алюминиевом гранате

14

"Yag"). Неодимовый Yag-лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1064

нм..

К кристаллическим относятся лазеры на окиси алюминия с ионами хрома

(рубин), вольфрамате кальция с ионами неодима, иттриево-алюминиевом гранате с ионами неодима и др.

К стеклянным относятся лазеры на боратных, силикатных и фосфатных стеклах, активированные ионами неодима, гольмия, иттербия, эрбия, тулия и другие.

Параметры некоторых твердотельных лазеров представлены в таблице 1.

Таблица 1- Параметры некоторых твердотельных лазеров

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Разновидностями твердотельного лазера являются волоконный лазер и полупроводниковый лазер.

Но эти лазеры в настоящее время принято выделять в отдельные классы.

§ 2.2 Газовые лазеры

Рабочим веществом газовых лазеров является газовая среда. Она может состоять из одной или нескольких атомарных или молекулярных компонент [2-4, 7, 9].

Число ионов и нейтральных атомов и молекул, на которых получена инверсия,

уже превысило 200 и продолжает расти.

Диапазон длин волн, в котором работают газовые лазеры, простирается от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного, по существу, до субмиллиметровой области спектра.

17

Газовые активные среды отличаются высокимой оптической однородностью,

мощностью излучения, простотой и эффективностью накачки, возможностью работать как в импульсно-периодическом, так и непрерывном режимах генерации.

Газовые лазеры делят на (таблица 2):

•молекулярные.

•атомарные,

•ионные и

•Лазеры на самоограниченных переходах

•Эксимерные

Таблица 2 - Классификация газовых лазеров

Молекулярные (на колебательно-вращательных переходах, СО2, СО лазеры.

СО2 – лазеры. Наиболее распространенными в технологии являются молекулярные СО2 - лазеры с газоразрядным возбуждением, инверсная заселенность

вкоторых возникает между колебательными уровнями молекулы СО2. Генерация излучения с длинами волн 10,6 и 9,4 мкм (инфракрасное излучение) осуществляется

врезультате вынужденных переходов между верхним метастабильным уровнем 001

18

(τ0 ~ 0,2 с) и нижними уровнями 100 и 020 (по 4-х уровневой схеме). Для получения оптимальных условий генерации в рабочий газ СО2 добавляют азот - N2 и гелий -

Не.

Внастоящее время создан мощный СО2-лазер непрерывного действия с КПД

~30% на длине волны 10,6 мкм. В СО2-лазере используется смесь СО2, N2 и He.

Генерация происходит на переходе между двумя колебательными уровнями молекулы СО2 .

СО-лазер. Генерация на колебательно-вращательных переходах в основном электронном состоянии молекулы СО. Длины волн излучения заключены в интервале 5-6,5 мкм. Колебательное возбуждение происходит путем непосредственного заселения высших колебательных уровней молекулы СО при столкновениях с электронами газового разряд, при переходе энергии от колебательно-возбужденных молекул азота и т.п. В этом случае СО-лазер подобен СО2-лазеру.

Атомные (на электронных переходах, He-Ne, He-Xe).

Гелий-неоновый лазер – первый газовый лазер непрерывного излучения

(создан в 1961 г) на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения (~0,633 мкм – красная линия) и (0,543 мкм – зеленая линия), лампы же накачки излучают свет в широком интервале длин волн, следовательно использовать их в качестве накачки невыгодно. Поэтому в газовых лазерах инверсная заселённость осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах.

Накачка в He-Ne-лазерах производится в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение даёт неон (рисунок 1). Электроны,

образующиеся в разряде, при столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с λ=0,6328 мкм. КПД He-Ne-лазера ~ 0,01% для лазера на стекле с неодимом ~75%.

19

Рисунок 1 - Схема энергетических уровней гелий-неонового лазера

Ионные (Ar, Kr, He-Cd)

Аргоновый лазер. Рабочим веществом являются ионы Ar+. Генерация осуществляется в непрерывном режиме на переходах между высокорасположенными уровнями конфигурации иона аргона. Наиболее интенсивное излучение на волнах 514,5 и 488,0 нм. Инверсия создается в сильноточном капиллярном разряде низкого давления при каскадном процессе ионизации атома и последующего возбуждения иона в столкновениях с электронами разряда. Нижний лазерный уровень опустошается радиационно. Для аргонового лазера характерны малый КПД и высокая выходная мощность, поэтому элементы его конструкции (электроды, стенки разрядного капилляра) работают в чрезвычайно напряженном режиме.

Лазеры на самоограниченных переходах (Cu, Ag, Au, Pb, N2, H2 и др)

Большой класс составляют лазеры на парах металлов таких как свинец (Pb), медь

(Cu), золото (Au), кальций (Ca), марганец (Mn), которые работают в видимой области.

Лазер на парах меди

Наибольшее значение среди них приобрел лазер на парах меди,

гененрирующий на зелёном (510,5 нм) и желтом (578,2 нм) переходах. Все лазеры на парах металла работают в импульсном диапазоне. Принципиальная схема газового

лазера приведена на рисунке 2.

20