Схемы и принципы работы лазера. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по "трёхуровневой схеме". Как устроен лазер

В такой схеме (рис. 1) нижним лазерным уровнем "1" является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем "2" является относительно долгоживущий уровень, а уровень "3", связанный с уровнем "2" быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу "1">"3".

Рис. 1. "Трёхуровневая" схема при оптической накачке

Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми g1=g2=g3, запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней "3" и "2" в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях:

где n1, n2, n3 - концентрации частиц на уровнях 1, 2 и 3, Wn1 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "1" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik - вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объёма.

Из (2) можно найти населённости уровней n2 и n1, как функцию W, и их разность Дn в виде

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления б0 ансамбля частиц на переходе "2">"1". Для того, чтобы б0>0, необходимо, чтобы, т.е. числитель в (3) должен быть положительным:

где Wпор - пороговый уровень накачки. Так как всегда Wпор>0, то отсюда следует, что w32>w21, т.е. вероятность накачки уровня "2" релаксационными переходами с уровня "3" должна быть больше вероятности его релаксации в состояние "1".

В случае, если

w32 >>w21 и w32 >>w31, (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W>>w21, то инверсия Дn будет: Дn?n2?N, т.е. на уровне "2" можно "собрать" все частицы среды. Заметим, что соотношения (5) для скоростей релаксации уровней отвечают условиям генерации "пичков" (см., Раздел 3.1).

Таким образом, в трёхуровневой системе с оптической накачкой:

1) инверсия возможна, если w32>>w21 и максимальна когда w32>>w31;

2) инверсия возникает при W>Wпор, т.е. создание носит пороговый характер;

3) при невысоких w21 создаются условия для "пичкового" режима свободной генерации лазера.

Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл Аl2O3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr3+ (концентрация ионов ~1,6 1019 см_3), и обозначается как Аl2O3:Cr3+. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr3+: нижний лазерный уровень "1" является основным энергетическим состоянием Cr3+ в Аl2O3, верхний лазерный уровень "2" - долгоживущий метастабильный уровень с ф2~10_3с. Уровни "3а" и "3б" являются вспомогательными. Переходы "1">"3а" и "1">"3б" принадлежат к синей (л0,41мкм) и "зелёной" (л0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Дл~50нм) контура поглощения (полосы).

Рис. 2. Рубиновый лазер. (а) - Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 (корунде); (б) - конструктивная схема лазера, работающего в импульсном режиме с модуляцией добротности. 1 - рубиновый стержень, 2 - лампа накачки, 3 - эллиптический отражатель, 4а - неподвижное зеркало резонатора, 4б - вращающееся зеркало резонатора, модулирующее добротность резонатора, Сн - накопительный конденсатор, R - зарядный резистор, "Кн" - кнопка пуска импульса тока через лампу; показан вход и выход охлаждающей воды.

Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней "3а" и "3б" Cr3+ по каналу "1">"3" ионами Cr3+ при поглощении ионами Cr3+ излучения импульсной ксеноновой лампы. Затем за сравнительно малое время (~10_8 с) происходит безызлучательный переход этих ионов из "3а" и "3б" - на уровни "2". Выделяющаяся при этом энергия превращается в колебания кристаллической решетки. При достаточной плотности с энергии излучения источника накачки: когда, и на переходе "2">"1" возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на л694,3нм и л692,9 нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень "2" около? всех активных частиц, что при накачке с л0,56 мкм требует удельную энергию излучения Епор>2Дж/см 3 (и мощность Рпор>2кВт/см 3 при длительности импульса накачки ф?10_3c). Столь высокое значение вкладываемой в лампу и рубиновый стержень мощности при стационарной ОН может привести к его разрушению, поэтому лазер работает в импульсном режиме и требует интенсивного водяного охлаждения.

Схема лазера показана на рис. 2,б. Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причём лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса. В результате всё излучение, выходящее из лампы, оказывается сфокусированным в стержне. Импульс света лампы возникает при пропускании через неё импульса тока путём разряда накопительного конденсатора в момент замыкания контактов кнопкой "Кн". Охлаждающая вода прокачивается внутри отражателя. Энергия излучения лазера в импульсе достигает нескольких джоулей.

Импульсный режим работы этого лазера может быть одним из следующих (см., Раздел 3):

1) режим "свободной генерации" при малой частоте повторения импульсов (обычно 0,1-10 Гц);

2) режим "модулированной добротности", обычно оптико-механический. На рис. 2,б модуляция добротности ООР осуществляется путём вращения зеркала;

3) режим "синхронизации мод": при ширине линии излучения Дннеодн~1011Гц,

число продольных мод М~102, длительность импульса ~10 пс.

Среди применений рубинового лазера: голографические системы записи изображений, обработка материалов, оптические дальномеры и др.

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl2O4:Cr3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7-0,82 мкм.

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

а) свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;

б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;

в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;

г) легированные полупроводники;

д) свободные электроны.

Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов очень велико. 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 паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.

Известны линии лазерной генерации от ультрафиолетовой области спектра (100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК-диапазоне. Лазеры плавно переходят в мазеры. Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн (рис. 16).. Но практическое значение приобрели только два-три десятка типов лазера. Наиболее широкое медицинское применение сейчас нашли СО 2 -лазеры, лазеры на ионах аргона и криптона, Nd:YAG-лазеры непрерывного и импульсного режима, лазеры на красителях непрерывного и импульсного режима, He-Ne-лазеры и GaAs-лазеры. Эксимерные лазеры, Nd:YAG-лазеры с удвоение частоты, Er:YAG-лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.

Рис. 16. Типы лазеров, наиболее часто применяемые в медицине.

Кроме того, лазерные активные среды можно различать по тому, формируют ли они дискретные лазерные лини, т.е. только в очень узком определенном интервале длин волн, или излучают непрерывно в широкой области длин волн. Свободные атомы и ионы имеют из-за их четко определенных энергетических уровней дискретные лазерные линии. Многие твердотельные лазеры излучают также на дискретных линиях (рубиновые лазеры, Nd:YAG-лазеры). Были разработаны, однако, также твердотельные лазеры (лазеры на центрах окраски, лазеры на александрите, на алмазе), длины волн излучения у которых непрерывно могут изменяться в большой спектральной области. Это касается в особенности лазеров на красителях, в которых эта техника прогрессировала в наибольшей степени. Лазеры на полупроводниках ввиду зонной структуры энергетических уровней полупроводников также не имеют дискретных четких лазерных линий генерации.

Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Если говорить человеческим языком, то это означает следующее:

• Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
• Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
• Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Устройство лазера.

Толку от самого физического понятия о лазере было бы немного, если бы его не умели создавать. Основой устройства служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, химическую, тепловую или какую-то другую энергию, производит лазерный луч. А производит он его посредством вынужденного или, как еще говорят, индуцированного излучения – то есть когда атом, в который попадает фотон (частица света), не поглощает его, а излучает еще один фотон, являющийся точной копией первого (когерентный). Таким образом, происходит усиление света.

Лазеры как правило состоят из трех частей:

• Источник энергии или механизм накачки;
• Рабочее тело;
• Система зеркал или оптический резонатор.

За что отвечает каждая из этих частей:

Источник энергии , что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному - не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Ну и, соответственно, вариантов тут очень много: все агрегатные состояний (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.

Применение лазер находит всюду, лишь бы хватило инженерной мысли додуматься как в тех или иных случаях применить эту технологию. Им есть место и в медицине, и в промышленности, и в быту, и в военном деле, и даже для передачи информации.

Лазер - это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
Название лазер - это аббревиатура английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) . усиление света с помощью вынужденного излучения.
Все лазерные системы можно разделить на группы в зависимости от типа используемой активной среды. Важнейшими типами лазеров являются:

Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. 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, используют обратную 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. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, 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 экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S 1 и S 2 , между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S 1 и S 2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S 1 и S 2 , будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня " 3 на более низкий уровень  " 1 . Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S 2 , делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S 1 и S 2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела  D , где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2 Z = m  , то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S 1 , после прохождения туда и обратно вернется к S 1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны  , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2 Z =(m  1)( ). Следовательно,  =  / m , то есть  , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни " 3 и  " 1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2 Z = m  может удовлетворять только одна длина волны  . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

монохроматичность;

пространственная и временная когерентность;

высокая интенсивность;

малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.