История создания лазера

Светодиоды, излучающие в красном диапазоне, были впервые продемонстрированы в 1962 году Ником Холоньяком, работавшему тогда в General Electric Co. Lab.  Данное изобретение явилось очень важным с практической точки зрения. Лазерные диоды сейчас используются как основа многих широко применяемых на практике технологий. В большинстве случаев, в современной технике применяется именно этот вид лазера, он является самым распространенным в мире.

 

Над созданием полупроводниковых лазеров на основе двойных гетероструктур трудились Российские ученые Ж. Алфёров и Р. Казаринов. Концепция лазеров на основе двойных гетероструктур была предложена в то же время в 1963 году Г. Кремером. В 1970 году группой Ж. Алферова был создан первый полупроводниковый лазер на основе алюминий-арсенид-галлия, который мог работать в непрерывном режиме при комнатных температурах. За свою работу в 2000 году  Ж. Алфёров и Г. Кремер были награждены Нобелевской премией «За развитие полупроводниковых гетероструктур, применяемых в скоростной и оптоэлектронике».

 

Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Н. Басовым, В.  Даниличевым и Ю. Поповым, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева. Лазер использовал димер ксенона (Xe2), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, XeBr), что было запатентовано в 1975 году Д. Хартом и С. Сирлесом из исследовательской лаборатории ВМС США. Эксимерные лазеры - это разновидность ультрафиолетового газового лазера. Характерной особенностью этих лазеров является то, что они работаю в импульсном режиме и позволяют генерировать мощное ультрафиолетовое излучение длительностью всего несколько десятков наносекунд. Благодаря своим свойствам они нашли применения в литографии при производстве полупроводниковых микросхем и в различных областях медицины: дерматологии, глазной хирургии и в стоматологии для лечения и профилактики различных заболеваний полости рта.

 

На сегодняшний день наиболее мощный лазер находится в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) в Ливерморской лаборатории (США). Рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентные 1,2 МДж в течение одной наносекунды получен в NIF в 2010 году. Данная установка будет использоваться для проведения исследований по получению холодной термоядерной реакции.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. Предусилители лазерной системы Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса.

 

 Вообще  говоря, лазерный термоядерный синтез  стал отдельным направлением. Лазеры  стали использоваться для быстрого  импульсного нагрева короткой  мощной вспышкой пространственного  когерентного излучения, сконцентрированного  на небольшой мишени, содержащей  изотопы водорода.

 

 

 

 

Рассмотрим подробнее лазер и принцип его действия.

 

Итак, лазер - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей.

 

 

Принцип действия:

 

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света. Этим данное явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

 

 

 

Рис. 1. Поглощение фотона

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Вынужденное испускание фотона

 

 

Рис.3.Спонтанное испускание фотона

 

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)

 

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

 

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

 

Рис. Лазер в лаборатории NASA

 

 

Рис. Лазер (красный, зелёный, синий)

 

 

 

Устройство лазера:

 

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

1)активной (рабочей) среды;

2)системы накачки (источник энергии);

3)оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

 

Схема:

Цифрами обозначены:

1 – активная  среда;

2 – энергия  накачки лазера;

3 – непрозрачное  зеркало;

4 – полупрозрачное  зеркало;

5 – лазерный  луч.

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

 

1. Активная среда

 

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

, где:

N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E;

 — число атомов, находящихся  в основном состоянии;

k — постоянная Больцмана;

T — температура среды.

 

Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение, также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.

Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

, где:

— начальная интенсивность;

— интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе;

— показатель поглощения вещества.

 

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

, где:

— коэффициент квантового усиления.

 

В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.)

 

2. Система накачки

 

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). 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 (например, гелий-неоновый лазер) 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 и др.).

 

а -  классическая трёхуровневая и б – четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера

 

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда , легированный небольшим количеством ионов хрома , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией в возбуждённое с энергией около . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня на уровень нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

 

 

3. Оптический резонатор

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:

2L=nλ то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

, где c — скорость света в вакууме.

Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

.

Линии в спектре излучения в силу различных причин (внешние электрические и магнитное поля 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.

 

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

 

 

Использование лазеров

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё не известных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.