Принцип работы и устройство лазеров

Принцип работы и устройство лазеров

Сталкиваясь с микросистемой, квант света  возбуждает  атомы и молекулы, отдавая  им свою энергию. Наиболее сильное (резонансное) взаимодействие происходит  тогда, когда частота  колебаний кванта света совпадает  с одной из собственных частот  колебаний электронов микросистемы. При этом атомы  и молекулы, находясь в возбужденном  состоянии, становятся вторичными излучателями  квантов.

Лазерное излучение  характеризуется следующими особенностями:

1. узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от  стенок  резонатора и не испытавшие существенного отклонения  от оптической оси:
2. монохроматичностью (степенью близости колебаний  к идеальным колебаниям), которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного  процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня;
3. значительной выходной мощностью,  т.к.  в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны;
4. когерентностью пространственной (понятие, характеризующее постоянство или изменение  по определенному закону основных характеристик  волны –амплитуды,  частоты, фазы, поляризации -  в пространстве) поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распределения волн;
5. когерентностью временной, поскольку излучение монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени.

Процесс лазерного излучения

Процесс вынужденного испускания является основой  лазерного усиления. Чтобы использовать этот процесс, необходимо электрон, например, в атоме (ионе, молекуле, твердом  теле) перевести с более низкого  на более высокий энергетический уровень. Чтобы практически реализовать  процесс лазерного усиления, указанное  состояние необходимо обеспечить не только у отдельного атома, но и у  целого ансамбля атомов. Число атомов, занимающих более высокий верхний  лазерный уровень должно быть всегда больше заселенности низкого лазерного  уровня. Это явление называют инверсией  населенности.

Облучение светом (оптическая накачка) системы  только с двумя энергетическими  уровнями даже при значительной интенсивности  накачки дает одинаковую населенность обоих уровней. Причина заключается  в том, что большая интенсивность  облучения кроме поглощения, т.е. заселение верхнего энергетического  уровня, приводит также ко многим эмиссиям, т.е. к снижению населенности верхнего уровня. Таким образом, с помощью  оптической накачки двухуровневой  системе нельзя произвести инверсию населенности. По-другому обстоит  дело в системах с тремя и большим  числом уровней.

Система с тремя уровнями

Если  в системе с тремя энергетическими  уровнями производится закачка с  уровня 1 на уровень 3, то при спонтанной эмиссии, т.е. распаде верхнего уровня, может быть населен уровень 2. Если это долгоживущий уровень, то со временем величина его населенности увеличивается.

Рис. 2. В трехуровневой лазерной системе  при очень интенсивной накачке  с уровня 1 на уровень 3 можно получить на уровне 2 более высокую населенность, чем на уровне 1.

При очень  большой накачке населенность этого  второго уровни может быть, по крайней  мере, на короткое время, выше, чем населенность нижнего лазерного уровня (основное состояние).

Однако  когда лазер начнет работать, инверсия населенности быстро уменьшится. Мощность накачки тогда оказывается недостаточной, чтобы постоянно поддерживать инверсию населенности, так что лазеры с  тремя уровнями практически всегда являются импульсными лазерами.

Лазер с четырьмя уровнями.

Если  систему с тремя уровнями расширить  еще на один уровень 2' между уровнем 1 и уровнем 2 (рис. 3), то можно избежать проблем трехуровневого лазера в  отношении короткой по времени инверсии населенности, при условии, что уровень 2' является очень короткоживущим. Если лазерный переход осуществляется с  уровня 2 на уровень 2', то уровень 2' при  работе лазера в виду его короткого  существования постоянно опустошается на основной уровень. В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно постоянно сохранять инверсию населенности между уровнями 2 и 2'. Лазеры с 4-мя уровнями могут поэтому работать в непрерывном режиме. 

     Рис. 3. В лазерной системе с 4-мя уровнями можно обеспечить даже при слабой накачке инверсию населенности на долгоживущем уровне 2 по отношению к короткоживущему  уровню 2'.

     Следует обратить внимание на то, чтобы при  всех механизмах возбуждения изменения  заселенности отдельных уровней  происходили по кругу, т.е. заканчивались  на основном уровне, что позволяет  вступить в новый цикл накачки. Во многих случаях этот цикл накачки  заканчивается, по крайней мере, частично, на так называемых «метастабильных  триплетных уровнях» (рис. 4). Они практически  не распадаются на основное состояние, так что атомы со временен полностью  накачиваются в эти метастабильные состояния и впоследствии не могут  использоваться в цикле лазерной накачки, таким образом лазерная генерация прекращается. Эту проблему можно частично решить, если лазерную среду постоянно менять, например, посредством прокачки. Другой способ – добавление так называемого буферного газа. Продолжительность существования метастабильного уровня в этом случае сокращается из-за столкновений атомов и молекул, участвующих в лазерной генерации, с атомами или молекулами буферного газа. 

     Рис. 4. Если нижний лазерный уровень частично опустошается на метастабильный триплетный уровень, то через некоторое время  генерация лазерного излучения  прекращается. 
 
 
 

Устройство  лазера

Видно, что лазер состоит  из следующих  основных элементов: среды, чаще называемой активным  веществом, двух зеркал, называемых открытым зеркальным  резонатором, источника возбуждения, источника  питания  и рефлектора.

Активное  вещество, используемое для получения  индуцированного излучения, должно обладать такими уровнями энергии, переход  между которыми сопровождается излучением, лежащем в требуемом диапазоне  длин волн. Это вещество должно иметь  определенную концентрацию активных частиц, т.е. частиц, которые обеспечивают накопление и выделение энергии. Активное вещество помещено в открытый зеркальный резонатор.

Рисунок 4 из учебника

Принцип работы резонатора ясен из рисунка 4. В  ситуации «а» все частицы активного  вещества (кроме двух) находятся  в основном состоянии, т.е. на нижнем энергетическом уровне. В ситуации «б» внешнее электромагнитное поле переводит часть частиц в возбужденное состояние, это привело к инверсной  населенности верхнего энергетического  уровня. В ситуации «в» возникло произвольное спонтанное излучение  от трех частиц, две излучили под  углом к оси резонатора, и это  излучение покинет резонатор  и активное вещество, не получив  усиления. Излучение, направленное вдоль  активного вещества, присоединит еще несколько возбужденных частиц, и тогда к правому зеркалу подойдет уже усиленное излучение. В ситуации «г» часть излучения отразилось от правого зеркала и направилась в левую сторону, вовлекая в процесс излучения частицы, расположенные на своем пути. Из ситуации «д» видно, что излучение отразилось от левого зеркала и направилось вправо, вовлекая в процесс излучения все оставшиеся возбужденные частицы. Последняя ситуация показывает, что все ранее возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию. На выходе из резонатора образовался мощный поток индуцированного излучения. Для вывода излучения из резонатора одно из зеркал делается полупрозрачным. Важным элементом схемы является источник возбуждения. Он переводит в возбужденное  состояние большинство активных частиц.

Таким образом, волна будет расти по амплитуде и перемещаться в активном веществе. Увеличение амплитуды будет  продолжаться, но значительно усиливаться  будет та волна, которая направлена перпендикулярна зеркалам. Волна, перемещаемая параллельно зеркалам, не получив достаточного усиления, покинет активное вещество через его стенки. Наибольшее усиление получит та волна, которая многократно пройдет активное вещество. Значит условия для поперечных волн не благоприятны, а для продольных – благоприятны. Получив значительное усиление , продольные волны покинут активное вещество, причем все они будут сосредоточены в узком пучке. Этот пучок имеет незначительное угловое расхождение.

В качестве лазерной среды могут применяться  все материалы, у которых можно  обеспечить инверсию населенности. Это  возможно у следующих материалов:

1. свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;
2. молекулы красителей, растворенные в жидкостях;
3. атомы, ионы, встроенные в твердое тело;
4. легированные полупроводники;
5. свободные электроны.

В одном  только элементе неоне наблюдается  около 200 различных лазерных переходов.

По виду лазерной активной среды различают  газовые, жидкостные, полупроводниковые  и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что  человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных  ларов является подходящей активной средой для слабого СО2 - лазера, а  некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку  они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.