Вопрос 3. Устройство лазера. Принцип действия лазера.

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптического резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов. Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки. Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.

В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

Оптический резонатор представляет собой систему из двух зеркал 1 и 2 (рис. 24.5). В простейшем случае это обращенные друг к другу параллельные (или вогнутые) зеркала на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Те фотоны, которые движутся под углами к оси кристалла, выходят из активной среды через боковую поверхность. Движущиеся вдоль оптической оси фотоны после многократного отражения от зеркал и усиления потока фотонов в активной среде выходят через полупрозрачное зеркало 2. В результате создается строго направленный световой пучок когерентных фотонов – лазерное излучение. Отметим, что усиление излучения при одном проходе между зеркалами должно превосходить пороговое значение, т.е. потери энергии из-за излучения, вышедшего через зеркало 2, за один проход. Чем больше пропускание этого зеркала, тем больше должно быть пороговое усиление активной среды.

Как следует из (24.23), для эффективного усиления света надо увеличить путь света в активной среде.

Для получения усиления вышедшие из резонатора электромагнитные волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции результирующая амплитуда стала максимальной. Это условие, очевидно, удовлетворяется в том случае, если любая волна, вернувшаяся в исходную точку на поверхности выходного зеркала, а также в любую точку активной среды, будет находиться в той же фазе, что и первичная волна независимо от числа испытанных ею отражений.

Для этого оптическая длина пути, проходимого волной между двумя возвращениями, должна удовлетворять условию:

∆=, , (24.27)

где т = 1, 2, 3, ... Действительно, поскольку оптическая разность хода и разность фаз связаны между собой соотношением , то разность фаз в соответствии с (24.27) можно переписать в виде:

,

т. е. каждая из волн запаздывает по отношению к предыдущей на фазу, равную 2π, другими словами, все выходящие из генератора волны находятся в одной и той же фазе, что обеспечивает в результате взаимной интерференции максимальную амплитуду выходящих волн. Однако роль резонатора заключается не только в увеличении длины пути света в активной среде. Он также позволяет получить высокопараллельное и очень близкое к монохроматическому излучение.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды (24.27), соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Дело в том, что энергетические уровни в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину. Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым.

Принцип действия лазера. Первым твердотельным лазером был рубиновый лазер, созданный в США (1960 г.) Т. Мейманом.

В качестве активной среды использовался рубин (окись алюминия (А1₂О₃), в некоторых узлах решетки которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома (Сr⁺⁺⁺). Обычно концентрация ионов хрома в А1₂О₃, составляет (0,03—0,5)%. Кристалл рубина имеет розовый цвет. В зависимости от концентрации ионов хрома цвет рубина меняется от светло-розового (при 0,03% содержания ионов хрома) до темно-розового (при 0,5% содержания ионов хрома).

Изготовленный из такого рубина цилиндр 3 (рис 24.5) диаметром

(0,4 – 2) см, длиной (3 – 20) см располагается между зеркалами 1 и 2 резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным, чтобы не происходило рассеяние излучения. В качестве источника возбуждения используется лампа накачки 4, имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг ци­линдра 3.

а

Рис. 24.5 Рис. 24.6

Устройство накачки представляет собой мощную импульсную газоразрядную лампу, питающуюся от источника высокого постоянного напряжения через конденсатор постоянной емкости.

Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго перпендикулярно оси кристалла. Если нанести специальный слой серебра на эти торцы, то они будут играть роль зеркал резонатора.

При интенсивном облучении рубина светом лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3 (рис. 24.6). Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше10^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 31 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на метастабильный уровень 2 с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 21 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка 10^-3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью

уровня 2.

Каждый фотон, случайно возникший при спонтанных переходах, в принципе может инициировать в активной среде множество вынужденных переходов 21, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно излученные фотоны распространяются в разных направлениях и в конечном итоге выходят из активной среды. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать (рис 24.7).

Рис. 24.7

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, т.е. лазерного излучения с высокими когерент­ными свойствами. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе (10⁶–10⁹) Вт.

Одним из наиболее распространенных лазеров является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10² Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает высокой монохроматичностью.

Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10^–4 Гц.

Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·10³ с, а длина когерентности cτ ≈ 6·10¹¹ м. На рис. 24.8 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной

населенности лазерного перехода.

Рис.24.8

Накачка лазерного перехода E₄ → E₃ в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E₂. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состояние, и передают им свою энергию. Уровень E₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E₂ гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E₄ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E₃. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.