Принцип действия и устройство лазера

Трудно найти пример открытия в физике, которое оказало бы на науку и технику такое же сильное влияние, как создание лазера. Сверхсильные световые поля и лазерный термоядерный синтез, сверхкороткие световые импульсы и сверхнизкие температуры, нелинейная оптика и лазерная спектроскопия, голография и оптическая связь, обработка материалов и оптический компьютер, лазерная медицина и контроль окружающей среды – вот лишь краткий перечень применений лазера, который находит все новые и новые сферы приложения.

С принципиальной физической точки зрения лазер демонстрирует новый тип излучения – вынужденное излучение в квантовой системе. Главная особенность этого излучения в том, что оно когерентно, т.е. имеет структуру, близкую к плоской гармонической волне.

Исследования теплового излучения, открытие квантов энергии, изучение спектров испускания и поглощения света атомами, а также другие экспериментальные и теоретические исследования, выполненные в конце ХIХ – начале ХХ веков, позволили сформулировать следующие два постулата, касающиеся свойств атомных систем (Нильс Бор, 1913 г.):

1. Существуют стационарные состояния атомов, в которых они не излучают и не поглощают свет. В этих состояниях атомы обладают энергиями, образующими дискретный ряд W ₁ , W ₂, W ₃,… (уровни энергии).

2. Излучение, испускаемое или поглощаемое атомом при переходе с уровня энергии W_m на уровень W_n, монохроматично, а его частота ω определяется условием

, (1.19)

где - постоянная Планка.

Эти постулаты резко противоречат основным представлениям классической механики и электродинамики, однако полностью подтверждаются на опыте. Постулаты Бора можно рассматривать как краткое и точное описание свойств атомных систем, установленных путем обобщения и анализа экспериментальных данных. На рис.1.28 показана схема энергетических уровней атома. Каждый уровень характеризуется своим номером и энергией.

Чрезвычайно важный шаг на пути к созданию лазера был сделан А. Эйнштейном в 1916 г. В своей работе «К квантовой теории излучения» он ввел понятия спонтанного и вынужденного излучения в квантовой системе. Согласно Эйнштейну возможны следующие типы радиационных процессов.

1. Спонтанное излучение. Квант света испускается при самопроизвольном переходе атома из состояния «2» в состояние «1» (рис.1.29, а).

2. Вынужденное поглощение. Атом поглощает падающий квант света и переходит из состояния «1» в состояние «2» (рис.1.29, б).

3. Вынужденное излучение. Если атом уже находится в возбужденном состоянии, то под действием резонансного падающего кванта света (кванта с частотой ) происходит переход атома из состояния «2» в состояние «1» (рис.1.29, в).

Нетрудно видеть, что при вынужденном излучении не только сохраняется падающий фотон, но и возникает второй фотон с такой же частотой. Оба фотона оказываются в фазе относительно друг друга. Именно так в лазере возникает когерентное излучение.

Обычно большая часть атомов находится в основном состоянии, поэтому падающие фотоны в основном поглощаются. Чтобы получить когерентное излучение в результате вынужденного испускания, необходимо выполнение двух условий. Во-первых, населенность верхнего рабочего уровня должна превышать населенность нижнего уровня, т. е. необходима инверсия населенности. Только при этом условии испускание будет преобладать над поглощением. Во-вторых, более высокое состояние должно быть метастабильным, т. е. электроны в нем должны находиться дольше, чем обычно, чтобы переход был вынужденным, а не спонтанным.

Существует несколько способов возбуждения атомов для создания в лазере необходимой инверсной заселенности. Чаще всего для этого используют облучение светом («оптическая накачка»), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света в лазере, как и в любом генераторе, используется обратная связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис.1.30. Активная среда 1 (рабочее вещество) заключена в длинной узкой трубке, на концах которой расположены два зеркала 3. Одно из зеркал (на рисунке - правое) частично пропускает свет (около 1 – 2 % падающего излучения). Источник накачки 2 (например, мощная лампа-вспышка), воздействуя на рабочее вещество, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент и не дают вклада в основное излучение. В то же время фотоны, распространяющиеся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, многократно проходят через активный элемент, продолжая стимулировать испускание атомами новых фотонов. Небольшая доля фотонов, летящих вдоль оси резонатора, выходит через полупрозрачное зеркало, образуя узкий когерентный пучок излучения 4.

В полном виде концепцию лазера разработали в России Н.Г.Басов, А.М. Прохоров и Ч.Таунс, А, Шавлов в США. Первый твердотельный лазер на кристалле рубина создал в 1960 г. американский исследователь Т. Мейман. Рассмотрим теперь некоторые конкретные типы лазеров.

Рубиновый лазер. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Чем больше хрома, тем ярче окраска кристаллов. Рубин имеет красный или розовый цвет. Это объясняется тем, что атомы хрома в кристалле поглощают широкую полосу зеленого и желтого света и пропускают только красный и голубой свет. В лазере Меймана был использован бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% хрома. Именно атомы хрома и участвуют в генерации лазерного излучения.

На рис.1.31 показана схема энергетических уровней атома хрома в кристалле рубина («трехуровневая схема»). Атомы хрома возбуждаются мощными вспышками ксеноновой лампы, испускающей свет с длиной волны 550 нм, соответствующей энергии фотона 2,2 эВ. В процессе оптической накачки атомы переходят из состояния W ₀ в состояние W ₂ . Из состояния W ₂ атомы либо быстро возвращаются в состояние W ₀ , либо переходят в промежуточное метастабильное состояние W ₁. Время жизни на метастабильном уровне составляет около 3×10^-3 с, а на обычных уровнях – около 10^-8 с. При мощной накачке создается инверсная населенность уровней, т. е. в состоянии W ₁ оказывается больше атомов, чем в W ₀ . Как только несколько атомов перейдут на основной уровень, они стимулируют вынужденное излучение других атомов, и начинается лазерная генерация. Рубиновый лазер генерирует пучок фотонов с энергией 1,8 эВ и длиной волны 694,3 нм (рубиново-красный свет).

Гелий – неоновый (He - Ne) лазер. Это электроразрядный лазер низкого давления, работающий на смеси благородных газов гелия (15%) и неона (85%), свойства которых удачно сочетаются. Активным веществом является неон. Атомы гелия играют вспомогательную роль, они необходимы для создания инверсной населенности.

В лазере смесь гелия и неона заключена в стеклянную трубку, в которой поддерживается непрерывный электрический разряд. При разряде происходит возбуждение атомов гелия, которые переходят в метастабильное состояние W ₁ (рис.1.32) с энергией 20,61 эВ. У атомов неона имеется возбужденное состояние почти с такой же энергией над основным состоянием 20,66 эВ. Вместо быстрого перехода в основное состояние за счет спонтанного излучения, атомы гелия сталкиваются с атомами неона и передают им возбуждение, возвращаясь в исходное состояние W ₀. Атомы неона переходят в возбужденное состояние W ₁^¢. Между состояниями W ₁^¢ и W ₂ (с меньшей энергией) возникает инверсия населенностей, т. к. уровень W ₂ почти не заселен. Наконец, при переходе атомов неона из W ₁^¢ в W ₂ испускается излучение с длиной волны 632,8 нм, которое и образует лазерный луч.

Существующие современные лазеры можно классифицировать по особенностям активной среды (твердотельные, газовые, на красителях и т. д.) и по способу накачки (оптическая, газоразрядная, химическая и т. д.). Но такая классификация является весьма условной, т. к. в рамки одного и того же класса попадают системы, совершенно не похожие по другим признакам. Тем не менее, можно выделить основные типы.

1) Твердотельные лазеры (на стеклах, рубиновые и др.) с оптической накачкой. Применение: спектроскопия, нелинейная оптика, лазерная технология (сварка, закалка, упрочнение материалов), мощные установки для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).

2) Электроразрядные лазеры низкого давления на благородных газах: He-Ne, He-Xe и др. Маломощные, с высокой монохроматичностью и направленностью. Применение: спектроскопия, настройка оптических систем.

3) Полупроводниковые лазеры: накачка инжекцией через гетеропереход. Миниатюрны, с большим КПД, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Применение: спектроскопия, оптические линии связи, звуко – и видио-системы, обработка информации.

4) Аргоновый лазер, генерирующий зеленый луч. Накачка - электрический разряд; режим – непрерывный. Применение: спектроскопия, нелинейная оптика, медицина.

5) Эксимерные лазеры. Рабочая среда – газовая смесь благородных газов с фтором, хлором, фторидами. Накачка – электронным пучком или разрядом. Импульсный режим. УФ-диапазон. Применение: спектроскопия, химия, ЛТС.

6) Лазеры на красителях. Рабочая среда – жидкость; оптическая накачка. Основное достоинство – большой диапазон плавной перестройки частоты генерируемого излучения. Применяются для получения разных типов излучения.

7) Химические лазеры. Среда – смесь газов. Накачка – химические реакции между компонентами смеси. Широкий спектр генерации в ближней ИК-области спектра. Применение: спектроскопия, лазерная химия, контроль состава атмосферы.

8) Лазер на основе ВКР. (ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние света.) Накачка лазерным излучением. Применяются для получения когерентного излучения различных частот и для суммирования излучения нескольких лазеров.

Поиск по сайту: