1.2.4.3 Лазери

Лазер – підсилення світла вимушеним випромінюванням від англійського виразу “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Дія лазерів ґрунтується на вимушеному випромінюванні фотонів під дією зовнішнього електромагнітного поля. Імовірність вимушеного випромінювання для системи, яка знаходиться у збудженому стані , пропорційно до спектральної густини діючої хвилі і дорівнює імовірності поглинання для системи, яка знаходиться у нижньому стані . При термодинамічній рівновазі в ансамблі , що складається з великої кількості частинок, кожна з яких може знаходитись тільки в двох енергетичних станах і , числа частинок N₁ і N₂, які знаходяться в цих станах, визначаються розподілом Больцмана, причому N₂ < N₁ [1.12]. Тому, в рівноважних умовах речовина поглинає електромагнітні хвилі, хоча для одиничного акту імовірність вимушеного випромінювання фотона дорівнює імовірності його поглинання, повна імовірність поглинання, пропорційна числу N₁ , частинок на нижньому рівні, є більшою імовірності вимушеного випромінювання, пропорційно до числа N₂ частинок на верхньому рівні. Поглинання уступає підсиленню електромагнітної хвилі при її розповсюдженні через речовину, якщо N₂ > N₁. Такий стан речовини називається інверсним (оберненим), або станом з інверсією населеностей, і не є рівноважним. Якщо через середовище з інверсією населеності проходить електромагнітна хвиля з частотою

, (1.43)

де – стала Планка,= 1,0545919(80)×10^–34 Дж∙сек, то в міру її розповсюдження в середовищі інтенсивність хвилі буде зростати за рахунок актів вимушеного випромінювання, число яких перевищує число актів поглинання[1.12].

Збільшення інтенсивності хвилі обумовлено тим, що фотони, випромінювані в актах вимушеного випромінювання, не відрізняються від фотонів, які створюють цю хвилю (рисунок_1.13).

Рисунок 1.13 – Підсилення світлової хвилі у активному середовищі

Підсилення електромагнітної хвилі за рахунок вимушеного випромінювання приводить до експоненційного закону росту її інтенсивності І в міру збільшення довжини шляху z, пройденого хвилею у речовині [1.12]:

(1.44)

де – інтенсивність вхідної хвилі;

~ ( N₂ - N₁ ) – коефіцієнт квантування підсилення.

В реальній речовині поряд з підсиленням є втрати, пов’язані з нерезонансним поглинанням, розсіюванням. Якщо ввести для опису сумарних втрат коефіцієнт втрат , то

Лазер складається з трьох основних компонент:

• активного середовища, в якому створюють інверсію населеностей;

• пристрій для створення інверсії в активному середовищі (система накачки);

• пристрій для забезпечення достатнього зворотнього зв’язку (оптичний резонатор).

Простий оптичний резонатор (резонатор Фабрі-Перо) складається з двох плоских дзеркал, розташованих паралельно.

Розглянемо процес генерування. Після того, як в активному елементі, розташованому всередині резонатора, досягнутий стан інверсії, в ньому виникають численні акти люмінесценції. Фотони викликають в активному середовищі надлюмінесценцію. Ті фотони, які були випромінені перпендикулярно до осі резонатора, породжують лише короткі дуги надлюмінесценції в цих напрямках. Фотони, спонтанно випромінені вздовж осі резонатора, багатократно відбиваються від його дзеркал, знову проходячи через активний елемент і викликаючи в ньому акти вимушеного випромінювання (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Активне середовище в оптичному середовищі

Генерування починається у тому випадку, коли збільшення енергії хвилі за рахунок підсилення перевищує втрати енергії за кожне проходження резонатора. Умови початку генерування (поріг генерування) визначається рівнянням

, (1.45)

де α₀– порогове значення коефіцієнта підсилення активного елемента;

β₀– коефіцієнт повних витрат електромагнітної енергії за одне проходження.

На початку виникнення генерування лазера в ньому одночасно і незалежно підсилюється множина хвиль, породжених окремими фотонами, випромінюваними спонтанно вздовж осі резонатора. Фази цих хвиль незалежні між собою, але когерентність кожної із них і їх інтенсивність постійно збільшується за рахунок процесів вимушеного випромінювання. У ході взаємної конкуренції цих хвиль вирішальну роль має відношення між і розмірами резонатора. Під час першого пролітання підсилюються всі фотони, випромінюванні внаслідок спонтанних процесів. Але після відбиття від дзеркал у переважаючому стані є ті фотони, для яких виконуються умови виникнення стоячих хвиль. Їх довжини хвиль відповідають нормальним коливанням резонатора – модам, інтенсивність яких збільшується. У більш сприятливих умовах є ті з мод резонатора, для яких співпадає з вершиною спектральної лінії активного середовища або розташована близько її вершини. Інтенсивність таких хвиль зростає лавиноподібно, подавляючи підсилення хвиль, віддалених від вершини спектральної лінії. В результаті виникає когерентне випромінювання, направлене вздовж осі резонатора і містить лише невелику кількість мод резонатора (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15 – Спектральна лінія активного середовища і моди оптичного резонатора

Розглянемо процес накачування. Залежно від способу реалізації інверсії населеності можна отримати попереднє або імпульсне генерування. При неперервному генеруванні інверсія в активному середовищі підтримується тривалий час за рахунок зовнішнього джерела енергії. Для реалізації імпульсного генерування інверсія збуджується імпульсами. При неперервному генеруванні лавиноподібне зростання інтенсивності вимушеного випромінювання обмежується нелінійними процесами в активному середовищі і потужністю джерел накачування. В результаті цих обмежень в активній речовині виникає насичення – кількість актів вимушеного випромінювання стає рівним кількості актів поглинання, оскільки число частинок на верхньому і нижньому енергетичних рівнях вирівнюється і зростання інтенсивності хвилі призупиняться.

Втрати енергії в лазері складаються з внутрішніх втрат і за рахунок виводу частини згенерованої енергії через дзеркала резонатора, одне з яких повинно бути напівпрозорим.

Способи досягнення і підтримування інверсії в активному середовищі лазера залежать від його структури. В твердих тілах і рідинах використовується оптичне накачування – освітлення активного елемента спеціальними лампами сфокусованим сонячним випромінюванням. У цьому випадку необхідно, щоб у процесі оптичного накачування приймало участь три енергетичні рівні робочих частинок (іонів або молекул).

а) трирівнева система; б) чотирирівнева система

Рисунок 1.16 – Збудження генерування

Якщо роль верхнього рівня відіграє широка смуга поглинання, це дозволяє використовувати значну частину спектру нелазерного джерела накачування. Нижче розташовується рівень (рисунок 1.16 а), час життя якого великий. Така ситуація забезпечує можливість нагромадження великої кількості частинок на метастабільному рівні. Поширеним трирівневим середовищем для лазерів є рубін. Легше досягається поріг генерування в активних середовищах, які працюють за чотирирівневою схемою (рисунок 1.16 б). Між метастабільним і основними рівнями є проміжковий – нижній робочий рівень, який розташований настільки вище від основного, щоб в умовах термодинамічної рівноваги він був заселений слабо. Поріг генерування досягається тоді, коли населеність метастабільного рівня перевищує населеність нижнього робочого рівня. Потужні газові лазери працюють за чотирирівневою схемою. Для збудження газових лазерів оптичне накачування відбувається рідко. Збудження напівпровідникових лазерів здійснюють безпосередньо постійним струмом, пучком електронів, оптичним накачуванням. Характеристики різних типів лазерів подано в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2			Деякі характеристики лазерів різних типів
Тип	Активне середо-вище	Спосіб збуджен-ня	Довжина хвилі, мкм	Режим	Тривалість імпульсів	Частота повто-рення, Гц	Потуж-ність
Газові лазери	He + Ne	газовий розряд	0,63; 1,15;	Неперервний	–	–	1 – 50 мВт
	CO2	газовий розряд у відпаяній трубці	3,39 10,6	Неперервний	–	–	5 – 100 Вт
Газові лазери		газовий розряд з прокачкою суміші електроіо-нізований газодина-мічний Хімічний	10,6	неперервний імпульсний	– 1– 50 мкс	– 25	100 – 104 Вт 106 Вт
		хімічний фотодисо-ціація	10,6 10,6 10,6	імпульсний неперервний Неперервний	20 мкс – –	– – –	108 Вт 100 кВт 10 кВт
	HF CF3I		2,6 – 3,5 1,315	імпульсний неперервний імпульсний імпульсний	1мкс – 20 нс 1 мкс– 1мс	– – – –	108 Вт 10 кВт 2∙1011 Вт 105 – 107 Вт
Рідкі лазери	необмеж. рідини (> 50)	лампова накачка, лазерна накачка, лазерна накачка	0,22 – 0,86	Імпульсний	0,1 – 10 мкс	0,1 – 500	104 – 106 Вт
	органіч. фарбники		0,55– 0,67	неперервний	–	–	0,1 – 1 Вт
Напівпровідни-кові лазери	Al Ga As Cd S	інжекція носіїв через p-n – переходи електрон-ним пучком	0,7 – 0,9 0,49 –0,69	імпульсний неперервний Імпульсний	100 – 200 нс – 3 нс	500 –5000 – –	10 – 50 Вт 0,1 – 1 Вт 200 кВт
Твердотілі лазери	рубін	лампова накачка	0,694	імпульсний вільної генерації імпульсний з модуляцій-ною доброт-ністю імпульсний вільної генерації	1 – 0,5 мс 20 нс 1 – 3 мс	10-3– 1 1 – 2 10-3 – 1	105 – 106 Вт 106 – 109 Вт 105 – 106 Вт
	скло з доміш-кою Nd	те ж	1,058	імпульсний з модуляцій-ною добротністю	3 – 30 нс	10-3 –0,1	108 – 5∙1010 Вт
				режим синхроніза-ції мод	5∙10-3 – 1 нс	–	1011 – 1013 Вт