3 семестр ЭКТ / Физика. Оптика / Методические материалы и лекции / lek_optika

3. Для лавинообразного развития излучения время существования возбужденных атомов t* должно быть больше времени лавинообразного развития излучения t: t* ≥ t.

4. Так как первоначальные (затравочные) фотоны излучаются в разных (случайных) направлениях, то мощное направленное излучение получают с помощью удлиненной цилиндрической формы излучающего тела, на торцах которого имеются зеркальные покрытия, одно из которых полупрозрачное, а другое полностью отражает фотоны (рис.1). В этом случае фотоны, многократно отражаясь от зеркал, значительно повышают

Рис.1. Принципы лазерного излучения: З1 –полностью отражающее зеркало ( толстый слой металлического покрытия), З2 – полупрозрачное зеркало ( тонкий слой)

вероятность индуцированного излучения вдоль оси цилиндрического тела, что и формирует мощное излучение через полупрозрачное зеркало на торце тела.

Таким образом, для реализации лазерного излучения должны выполняться два основных условия.

1.Число возбужденных атомов N* должно быть по возможности значительным ( см. ниже расчетные формулы ).

2.Время возбужденного состояния t* должно быть больше

времени лавинообразного развития излучения t: t* ≥ t.

Чтобы оценить число возбужденных атомов N* , предположим, что фотоны и атомы внутри излучающей среды находятся в условиях, близких к термодинамическому равновесию. Обозначим через E = En последнее занятое энергетическое сос-

191

вероятность нахождения атома в возбужденном состоянии с энергией E * . Величина Z называетсмя статистической суммой и определяется условием нормировки (Σwn) = 1, где

wn = Z exp( – E n / kBT)

– вероятность нахождения системы в состоянии с энергией E n, а

Z* = [Σexp( – εm/ kBT)]-1, εm = E – Em – энергетический спектр излучения с уровня Em на E ( при Em > E ) и с уровня E на Em (при Em < E ). Предэкспоненциальный множитель Z* в (3) можно оценить как Z* ≤ exp( – ε 1 / kBT). Энергии ε 1 и ε * имеют

порядки нес-кольких электрон-вольт, например, для световых квантов ε * = hν ~ 6.24 10-34 1015 Дж = 4 эв. Поэтому при ком-

натных температурах ( kBT ~ 1/40 эв ) имеем Z* ~ exp(–ε*/kBT) ≤ ≤ exp( – 160), то есть лазерное излучение невозможно ( число возбужденных состояний N* равно нулю). Для получения конечных значений N* необходимы высокие температуры. Например, при температуре фотонов накачки T = 6000о К имеем w* ~ e -16 ~ 10-5 и для N* в расчете на 1 см2 конденсированной среды имеем

N* = N w* ~ 1023 10-5 = 1017 ( см-3)

Второе условие реализации лазерного излучения t* ≥ t. Реализуется специальными методами. Перечислим наиболее широко применяемые.

192

1) Формирования долгоживущих метастабильных состояний

Метастабильными состояниями (МС) называются совокупность возбужденных состояний, к которые переходит квантовая система при лазерном излучении.

Большое время жизни t* в метастабильном состоянии обуславливается такой перестройкой всей квантовой системы, при которой вероятность перехода из возбужденного состояние в основное значительно меньше, чем при переходе из основного состояния в возбужденное. Например, в рубиновом лазере накачка осуществляется переходом ионов хрома Cr3+ в новое положение в кристаллической решетке, которая при этом перестраивается. Поэтому время жизни иона Cr3+ в возбужденном состоянии в 105 раз больше типичного времени существования возбужденного состояния и составляет ~ 10-3 сек.

2) Режим модулирования добротности

Этот режим основан на том, что импульс излучения с помощью специальных устройств формируют в 104-105 раз короче времени накачки системы, имеющей порядок миллисекунд. Например, в рабочей среде помещают быстродействующий оптический затвор, работающий на основе эффекта Керра. Затвор не дает возможности фотонам отражаться от зеркал и, следовательно, развиваться индуцированному излучению. За то время, пока затвор закрыт, происходит накачка рабочей среды, а при его открытии происходит мощный импульс излучения.

3) Режим синхронизации мод

В этом режиме происходит многомодовое возбуждение ( то

которые имеют одну и ту же поляризацию. Следовательно, они интерферируют. Выбираются такие режимы, при которых на выходе из лазера имеет место усиление интенсивности излучения. Такие лазеры имеют очень малые t* и t и, соответственно, очень короткие импульсы излучения (порядка пикосекунд).

4) Многокаскадность возбуждения

Этот режим используется в электроразрядных газовых лазерах. Например, в газовой смеси СО2 : N2 : He ( СО2 - лазер ) вначале

193

возбуждаются колебательные уровни молекул N2 за счет столкновения с электронами, имеющих энергию порядка 2 эв, затем возбужденная молекула N2 передает энергию молекулы СО2 при их столкновении, которые излучают фотоны с длиной волны в инфракрасном диапазоне ( λ = 10 мкм ). Время существования возбужденного состояния молекулы СО2 составляет порядка 20 миллисекунд, что значительно больше время импульса излучения, поэтому такие лазеры фактически излучают непрерывно. Отметим, что добавление гелия в газовую смесь обусловлено необходимостью повышения пробойного напряжения рабочей среды.

3. Характеристики лазерного излучения

Лазерное излучение является:

1) Монохроматическим. Монохроматичность не является идеальной и длины волн изменяются на незначительную величину в пределах λ - Δλ ≤ λ ≤ λ + Δλ, где Δλ/λ ~ 0,1%.

2) Узконаправленным. Направленность лазерного излучения характеризуется углом расходимости Δϕ лазерного луча ( рис. 2).

Δϕ

Δϕ

Рис.2

Расходимость лазерного луча всегда имеет место. Минимальный угол расходимости определяется дифракцией излучения на выходе из отверстия диаметра d и составляет величину

Δϕmin ~ λ/d .

3) Высокоэнергетичным. Плотность энергии на единицу объема и интенсивность излучения могут изменяться непрерывно от весьма низких значений до чрезвычайно высоких, превышающих

194

даже интенсивность энергетического потока при ядерном взрыве (см. ниже таблицу).

4. Типы лазеров

По характеру излучения лазеры делятся на импульсные и

непрерывные.

Импульсные лазеры в виде последовательности вспышек излучения за время t, которое обычно значительно меньше времени накачки t* . Примерами импульсных лазеров являются твердотельные лазеры на рубиновом кристалле с примесью хрома и лазеры на неодимовом стекле (рис.3), принципиальные устройства которых идентичны.

E*

E1

E0

Рис. 3. а) устройство неодимового лазера, б) энергетическая диаграмма переходов

195

В неодимовом лазере рабочее тело – кристалл алюмоиттриевого граната (Y3Al2O15), в котором часть ионов иттрия Y3+ замещена ионами неодима Nd3+. Кристалл имеет цилиндрическую форму и расположен в одном из фокусов эллиптического отражателя; накачка производится излучением УФ лампы, расположенной во втором фокусе эллиптического отражателя. При возбуждении ИФ излучением ионы Nd3+ переходят из основного состояния E0 в возбужденное состояние на уровень E2, с которого безизлучательно переходят на МС c энергией E* . Далее, с МС уровня индуцированным излучением с длиной волны 1,06 мкм переходят на нижний уровень E1 и затем спонтанно переходят в основное состояние – см. диаграмму рис.3, б. Неодимовые лазеры являются наиболее мощными лазерными излучателями: при импульсе 1 нс мощность излучения лазера превышает 1012 Вт, а в специальных лазерах – 1018 Вт и используют в экспериментальных установках по термоядерному синтезу. КПД таких лазеров небольшой и составляет 0,2% от мощности накачки.

В рубиновом (твердотельном) лазере кристаллом является рубин (Al2O3) c примесью ионов хрома (Сr3+), которые замещают некоторые ионы алюминия в кристаллической решетке. Накачка осуществляется импульсной лампой, а возбужденные состояния представляют собой новые положения ионов хрома в кристаллической решетке. Обратный переход совершается в два этапа. На первом ионы хрома отдают часть энергии кристалллической решетке (возбуждают фононы ), переходя в долгоживущее ( t ~ 10-3 сек) метастабильное состояние. На втором этапе ионы хрома переходят в основное, излучая фотоны с длиной волны 0,6943 мкм. КПД такого лазера, как и неодимового, незначителен и составляет доли процента, поэтому энергия накачки почти полностью переходит в тепловую, так что кристалл интенсивно охлаждают с помощью жидкого воздуха. Лазер излучает импульсы света с частотой порядка нескольких импульсов в минуту.

В непрерывных лазерах излучение происходит без вспышек, так как рабочая среда в таких лазерах не имеет упорядоченной структуры. К таким типам относятся газовые лазеры. Принцип действия таких лазеров был основан на многокаскадности возбуждения. В качестве примеров назовем лазер на углекислом

196

газе (СО2 – лазер, см. выше) и гелий-неоновый (He:Ne) лазер

(рис.4).

В гелий-неоновом лазере электроны, образующиеся в ходе ионизации газа высоковольтным полем, за счет соударений с атомами He возбуждают их до уровня с энергией E2, с которого безизлучательно переходят на два метастабильных состояния c энергией E1*, E2* ( время существования 10-4 и 5·10-6 с соответсвенно). Эти уровни МС почти совпадают с уровнями возбужденных состояний Ne, переходы которого на нижние энергетические уровни наиболее вероятные и происходят по трем каналам с длинами волн: красной (0,63 мкм), и двумя инфракрасными (1,15 мкм и 3,39 мкм ). Настройка лазера на нужную длину волны производится с помощью отражающих зеркал резонатора. Поляризаторы Столетова служат для уменьшения потерь на отражение. КПД газовых лазеров самый высокий и составляет 10-20%.

По методу накачки лазеры называют с импульсной накачкой (лампой-вспышкой), электроразрядные (накачка осуществляется за счет передачи кинетической энергии возбуждаемым молекулам при их столкновении с электронами или ионами проводимости при электрическом разряде в газовой среде, как, например, в гелий-неоновом лазере ), химические ( накачка осуществляется за счет ударного столкновения молекул при высокой температуре в реакции горения), полупроводниковые,

газодинамические, рентгеновские, эксимерные, ионные, лазеры на красителях и т.д. Устройство и принцип действия

197

полупроводникового инжекционного лазера представлены на рис.5. КПД полупроводниковых лазеров составляет 90% и выше.

Рис. 5. Устройство полупроводникового инжекционного лазера на арсенид

– галлиевом кристалле (GaAs) с двойной гетероструктурой GaAs - GaAlAs . В тонком переходном слое толщиной порядка 0,5 мкм между областями n- и p- проводимостями происходит электрон-дырочная рекомбинация, энергия которой в основном выделяется в виде фотонов. Дополнительные слои Ga1-xAlxAs и Ga1-yAlyAs играют роль отражающих плоскостей, в результате чего фотоны излучаются только вдоль переходного слоя.

5. Применение лазеров

Когерентность и возможность управления интенсивностью лазерного излучения дали уникальную возможность применения лазеров в науке, технике, медицине, средствах связи, электронике, энергетики и т.д. Применение лазеров в той или иной стране по существу определяет ее технологический и промышленный уровень. Перечислим наиболее характерные примеры использования лазеров.

1)Медицина. Лазеры используют в хирургии (лазерные скальпели), микрохирургии глаза, для облучения биологически активных точек и т.д.

2)Техника. Используются для резки и испарения металлов, вырезки микроотверстий, шлифовке, термической обработке и т.д.

3)Связь. Используются в оптоволоконной высокоскоростной связи, передаче межпланетных сигналов ( например, лазерная локация Луны) и т.д.

198

4)Электроника. Используются для записи и чтения информации (на компакт CD или DVD диски), в лазерных принтерах и т.д.

5)Научные исследования. Применяются для лазерного охлаждения газов и удержания молекул в заданном объеме (локализация молекул), в спектральных исследованиях, лазерном термоядерном синтезе и т.д.

6)Военная область. Боевые лазеры используют для защиты от ракетного нападения, в системах лазерного прицеливания и т.д.

199

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. ТАБЛИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Таблица 1 Основные физические величины

Таблица 2 Диаметры атомов и молекул

200