Основы устройства и работы лазеров
В начале 60-х годов XX столетия группой советских ученых, руководимой академиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, и одновременно в США Таунсом и Шавловым был предложен, а затем реализован принципиально новый источник световых волн. Он получил название оптического квантового генератора или лазера.
В латинской транскрипции "Laser" составлено из начальных букв следующей английской фразы: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью вынужденного излучения". Таким образом, сам термин "лазер" показывает, что в основе принципа его действия лежит предсказанное Эйнштейном теоретически ещё в 1916 г. явление вынужденного (стимулированного, индуцированного) излучения.
Название "квантовый генератор" говорит о том, что теория лазерного излучения основана на постулатах квантовой механики, согласно которым атомные системы (совокупность атомов, молекул, ионов) могут обладать лишь дискретными значениями энергий. На рис. 1 показаны два из возможных уровней энергии какой-то атомной системы. В обычных условиях (в условиях термодинамического равновесия) подавляющее большинство частиц, составляющих атомную систему, находится на самом нижнем уровне, вещество не возбуждено. Поглощение света приводит к его возбуждению, т.е. переходу на более высокий энергетический уровень. Оно изображается стрелками, направленными вверх. Согласно известной теории Бора, атомная система поглощает только те электромагнитные волны, частота которых удовлетворяет соотношению:
где E2(1)- значение энергии 2-го (1-го) уровня,h - постоянная Планка.
Рассмотрим процессы, происходящие в возбужденных атомных системах, т.е. процессы, имеющие место после акта поглощения света. Их можно разбить на 2 группы - оптические и неоптические. К числу оптических процессов относятся спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы возбужденных частиц на более низкие уровни энергии, сопровождающиеся испусканием световых квантов (волн). Спонтанное испускание универсально, оно неизбежно осуществляется для всех возбужденных систем. На рис. 1 оно изображено жирной стрелкой, направленной вниз. Этот процесс обуславливает свечение вещества - люминесценцию. У изотропных веществ она обычно направлена во все стороны, отдельные кванты люминесценции излучаются независимо друг от друга и обладают случайной фазой. Такое излучение называют некогерентным. Напомним, что когерентность - это согласованное, т.е. с сохранением разности фаз протекание во времени нескольких волновых процессов. Неоптические процессы обычно связаны с передачей энергии возбуждения другим частицам или растворителю.
При этом происходит безизлучательный переход атомной системы из состояния 2 в состояние 1. На рис. 1 такой переход изображен волнистой стрелкой. Неоптический переход, как правило, приводит к нагреванию вещества.
Рис. 1
Лазер работает на принципе вынужденного излучения. Допустим, что на атом падает квант внешнего излучения с энергией E2 - E1 . Если этот атом уже находится на верхнем уровне с энергиейE2, то может произойти его вынужденный, т.е. под действием внешнего, вынуждающего кванта, переход на нижний уровеньE1с испусканием второго кванта. При поглощении квант света исчезает (поглощается), а система возбуждается (переход 1-2), при вынужденном испускании возникает новый световой квант, дополнительный к исходному кванту света, т.е. происходит усиление света (увеличение его интенсивности) и переход атома в основное энергетическое состояние (переход 2-1, который на рис.1 изображен тонкой стрелкой). Вынужденное испускание света имеет важную особенность. Индуцировано излученные кванты, формирующие световую волну растущей интенсивности, неотличимы от квантов внешней падающей радиации: они обладают той же частотой, поляризацией и направлением распространения. Их фаза определяется фазой падающего излучения (в этом случае говорят о когерентности света).
Т.к. населенности возбужденных уровней обычно малы по сравнению с населенностью основного, нижнего уровня (т.е. n1 n2, n- число частиц на уровне), преобладающими являются поглощение и последующее спонтанное излучение.
Можно получить искусственно термодинамически неравновесную среду, для которой n2станет большеn1. Такая среда называется активной или средой с инверсной заселённостью по отношениям к энергетическим уровнямE2иE1(слово "инверсия" означает перестановку, изменение обычного порядка). Только в этом случае, когда происходит заметное накопление частиц на возбужденном уровне, число актов поглощения уменьшается, а вынужденное испускание становится определяющим. Следствием существования данной ситуации является преимущественное усиление, а не поглощение падающей на инверсную среду световой волны. Идея создания активных сред и использования индуцированного излучения для усиления света впервые была высказана в 1939 г. советским физиком В.А.Фабрикантом.
В настоящее время известно много различных способов получения инверсии. Чаще всего она образуется за счёт поглощения световых квантов или за счёт энергии потока электронов в электрическом разряде, переводящих при соударениях атомную систему в возбужденное состояние. В первом случае говорят об оптической, во втором - об электрической накачке.
Т.к. вынужденное испускание - процесс обратный поглощению, рост интенсивности световой волны по мере прохождения ею интенсивной среды может быть описан соотношением, подобным закону Бугера:
)
где Kус 0- коэффициент усиления среды,l- длина усиливающего слоя,I0- интенсивность внешнего потока излучения,I- интенсивность света, вышедшего из слоя. График зависимостиIlот lдан на рис.2.
В формуле (1) предполагается, что на усиливающий слой падает поток света интенсивности I0. Однако его можно специально не создавать, т.к. необходимые фотоны (иногда их называют затравочными) образуются в самой системе в результате спонтанного излучения. Именно последняя ситуация реализуется в лазере.
Увеличение интенсивности светового потока по мере его распространения внутри усиливающего вещества иллюстрируется рис.3
Рис. 3.
В невозбужденном состоянии частицы вещества (черные шарики) находятся, в основном, на нижнем уровне (рис.3а), когда начинается накачка, происходит инверсия заселенности (рис. 3б). Пусть какая-либо частица излучает спонтанно фотон. Он способен стимулировать излучение других частиц, ведущее к образованию потока усиливающейся радиации (рис. 3в).
Для получения больших значений Iпри небольшихI0и ограниченных Kуснеобходимы слои активной среды очень большой длины. Это практически не осуществимо. Поэтому обычно активное вещество помещают между двумя строго параллельными зеркалами с определенными коэффициентами отражения, образующими устройство, называемое резонатором. Его роль, прежде всего, заключается в искусственном удлинении пути, проходимом светом внутри усиливающей среды.
Рассмотрим принципиальное устройство оптического квантового генератора (лазера)(рис.4). Он состоит изактивного вещества1 (кристаллического стержня или трубки с газом),системы накачки2 (на рис.4 - это две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор.Как правило, коэффициент отражения одного из зеркал равен 100% (оно называется глухим), второго (выходного) - меньше 100%. Допустим, что коэффициент отражения зеркала 3 равен 100%, а 4 - 99%,усиление светового потока за один проход активной среды равно, например, 10.
Рис.
4.
Пусть из точки aк стержню направляется только один квант света. К зеркалу придет уже 10 квантов. Отразившись от него, они вторично пройдут всю длину усиливающей среды. На зеркало 4 упадет уже 100 квантов: 99 из них отразятся обратно, 1 выйдет наружу. После завершения ещё одного цикла в световом потоке будет уже 9900 квантов, 99 из них выйдет наружу, а 9801 квант начнет следующий цикл, это снова увеличит число квантов в 100 раз и т.д. Таким образом, многократное повторение процесса усиления, возникающее при наличии зеркал, по своему эффекту эквивалентно существенному увеличению длины активного вещества. В каждом цикле при подходе к выходному зеркалу 4 1% световых квантов покинет резонатор. При этом поток энергии, выходящий за пределы резонатора, оказывается весьма значительным. Он и представляет собой лазерный луч, изображенный стрелками на рис. 4. Этот луч существует до тех пор, пока накачка поддерживает инверсию в активной среде.
Благодаря резонатору создается не только значительное усиление света, он также формирует направленное излучение и монохроматизирует его. Обычно активная среда заполняет цилиндрическую трубку, либо представляет собой цилиндрический стержень. Ясно, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра, все выйдут наружу. Как правило, энергетические уровни активной среды обладают сложной структурой и лазер способен излучать несколько длин волн в соответствующем диапазоне. Зеркала резонатора делаются многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения только для одной длины волны, благодаря чему генерируется строго монохроматическое излучение.
Надо также иметь в виду, что лазерный луч возникает лишь при выполнении следующего условия: усиление светового потока за один цикл (двойное прохождение света внутри активной среды) должно быть больше или по крайней мере равно потерям энергии излучения при выходе его за пределы резонатора.
Прежде чем переходить к рассмотрению принципа действия конкретных лазерных систем, ещё раз перечислим основные свойства лазерного излучения.
Во-первых, лазерный луч обладает высокой направленностью(малой расходимостью). Угол расходимости лазерного луча составляет обычно несколько угловых минут, это значительно меньше, чем расходимость например, прожекторного луча. Величина угла расходимости ограничена определенными техническими причинами и дифракционными явлениями.
Во-вторых, лазерное излучение в высокой степени монохроматично. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает некоторым набором частот. Этот набор частот минимален для лазера.
В-третьих, свет, испускаемый квантовым генератором, обладает высокой степенью когерентности.
Лазеры - устройства, характеризующиеся самой разной мощностью излучения: от 1 мВт до десятков кВт. Такой диапазон изменения этой величины недоступен никаким другим источникам света.
В зависимости от режима работы ОКГ делятся на непрерывныеиимпульсные. В импульсном режиме возможно введение в активную среду без ее изменения значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Поэтому импульсные лазеры более мощные, чем непрерывные.
Уникальные свойства лазерного излучения предопределили их широкое использование. Выбор того или иного ОКГ и режима его работы зависит от конкретно решаемой задачи. В медицине наибольшее распространение получили импульсный рубиновый лазер (длина волны генерации = 0,694 мкм) и работающие в непрерывном режиме газовые лазеры: гелий-неоновый (= 0,632 мкм), аргоновый (= 0,5 мкм), ОКГ на смеси CO2и N2(= 10,6 мкм), CO - лазер (= 5,3 мкм).