Лазеры. Строение и применение

3.3.1. Монохроматичность  лазерного излучения.  Его мощность.

      Для некоторых квантовых генераторов  характерна чрезвычайно высокая  степень монохроматичности их  излучения. Любой поток электромагнитных  волн всегда обладает набором  частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность.

    Нужно отметить, что линии лазерного  излучения имеют сложную структуру  и состоят из большого числа чрезвычайно  узких линий. Применяя соответствующие  оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

    Мощность  лазера. Лазеры являются самыми мощными  источниками светового излучения. В узком интервале спектра  кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10^-13 с. у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10³ Вт/см², причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10^-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца  всего лишь 0,2 Вт/см². Если задача заключается в преодолении порога в 10¹⁷ Вт/см², то прибегают к различным методам повышения мощности.

    Повышение мощности излучения. Для повышения  мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

    Метод модулированной добротности. Чтобы  увеличить число атомов, участвующих  почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

    Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система  выйдет из условия генерации. Продолжительность  зависит от многих факторов, но обычно составляет 10^-7 —10^-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

    Более частое повторение импульсов может  быть достигнуто модуляцией добротности  с помощью ячейки Керра (быстродействующий  модулятор света). Ячейку Керра и  поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса физики опытом с турмалином.

    Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности.

3.3.2 Гигантский импульс

    Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым  называют импульс, обладающей очень  большой энергией при сверхмалой длительности.

    Сама  по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора - специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом - поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров - создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс - гигантский импульс. Его длительность составляет 10^-8 с., а максимальная мощность 10⁸ Вт.

3.4 Характеристики некоторых  типов лазеров.

    Разнообразие  лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

• Рубиновый лазер.

 Первым  квантовым генератором  света  был рубиновый лазер, созданный  в 1960 году.

    Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl₂O₃ (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr₂Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr⁺³. В решетке кристалла А₂О₃ ион Сг⁺³ замещает ион Аl⁺³. Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна—в зеленой, другая—в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг⁺³: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг⁺³ достигает 1%.

    Наряду  с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е₁ и Е₁^’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения 1  = 692,8 нм и малый — для 1 = 694,3 нм.

      При облучении рубина белым  светом голубая и зеленая части  спектра поглощаются, а красная  отражается. В рубиновом лазере  используется оптическая накачка  ксеноновой лампой, которая дает  вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr⁺, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr⁺³ очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е₁, Е₁^’. При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е₁, Е₁^’ метастабильны. Время жизни на уровне Е₁ равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е₁, Е₁^’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е₀ (это уровень невозбужденных атомов).

    Кристалл  рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

    Один  из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

• Газовый лазер.

Для таких  лазеров в качестве активного  вещества используют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает получение непрерывного стимулированного излучения, поскольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают переход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столкновении двух частиц происходит с минимальным изменением общей внутренней энергии, то атомы неона переходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 происходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из четырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретически имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.

• Гелий-неоновый лазер.

Активной  средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

    Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

    При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2³S и 2²S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона — 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, — около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

• С0₂-лазер с замкнутым объемом.

Молекулы  углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO₂ - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO₂ передается от молекул азота N₂, которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

    Возбужденное  состояние молекулы азота N₂ является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см ^-1, что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO₂. Ввиду метастабильности возбужденного состояния N₂ при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N₂ с CO₂ происходит резонансная передача энергии возбуждения от N₂ к CO₂. Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO₂. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).