Лазер

Лазер, джерело електромагнітного випромінювання видимого, інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів, заснований на вимушеному випромінюванні атомів і молекул. Слово «лазер» складається з початкових літер (абревіатура) слів англійської фрази «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що означає «посилення світла результаті вимушеного випромінювання». У радянської літературі вживається також термін «оптичний квантовий генератор» (ОКГ). Створення Л. (1960) і дещо раніше мазери (1955) послужило основою розвитку нового напрями у фізики й техніці, називається квантової електронікою. У 1964 радянським фізикам М. Р. Басову, А. М. Прохорову і американському фізику Ч. Таунсу за роботи у сфері квантової електроніки присуджена Нобелівську премію із фізики. Лазер — джерело світла. У порівняні з іншими джерелами світла Л. має низку унікальних властивостей, що з когерентністю і високої спрямованістю його випромінювання. Випромінення «нелазерных» джерел кольору не має цих особливостей. Потужність, випромінювана нагрітим тілом, визначається його температурою Т. Найбільше можливе значення потоку випромінювання, достигаемое для абсолютно чорного тіла, W = 5,7Ч10−12ЧT4 вт/см2. Потужність випромінювання швидко зростає зі збільшенням Т й у високих Т сягає дуже великих величин. Так, кожен 1 см² поверхні Сонця (Т = 5800 До) випромінює потужність W = 6,4Ч103 ут. Проте випромінювання теплового джерела поширюється на усіх напрямах джерела, т. е. заповнює тілесний кут 2p радий. Формування спрямованого пучка від такої джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм чи оптичних систем, які перебувають з лінз і дзеркал, завжди супроводжується втратою енергії. Ніяка оптична система має не дозволяє їм отримати лежить на поверхні освещаемого об'єкта потужність випромінювання велику, ніж у джерелі світла. Випромінення теплового джерела, ще, немонохроматично, воно заповнює широкий інтервал довжин хвиль (рис. 1). Наприклад, спектр випромінювання Сонця захоплює ультрафіолетовий, видимий і інфрачервоний діапазони довжин хвиль. На підвищення монохроматичности випромінювання застосовують монохроматоры, дозволяють виділення з суцільного спектра порівняно вузьку область, чи використовують газорозрядні джерела світла низький тиск, дають дискретні атомні чи молекулярні вузькі спектральні лінії. Інтенсивність випромінювання в спектральних лініях, проте, неспроможна перевищувати інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла, температура якого дорівнює температурі порушення атомів і молекул (рис. 1). Т. про., в обох випадках монохроматизация випромінювання досягається ціною величезних втрат енергії. Чим вже спектральна лінія, тим менше випромінювана энергия.

[pic].

Рис. 1. Інша картина має місце у радіодіапазоні. Джерела радіохвиль здатні формувати спрямоване і монохроматическое випромінювання великої потужності. Різниця між джерелами радіохвиль і долазерными джерелами світла носить принципового характеру. Антени — випромінювачі радіохвиль, живлені від загального генератора електричних коливань, можна порушити когерентно. Елементарними випромінювачами світлових хвиль є атоми і молекули. Випромінення будь-якого джерела світла є сумарний ефект випромінювання величезної сукупності атомів і молекул, причому всі вони випромінюють цілком незалежно друг від друга — некогерентно. Некогерентность випромінювання атомів пов’язані з незалежністю, випадковістю елементарних актів порушення атомів та його хаотичним розподілом у просторі. Основний причиною порушення атомів в нагрітих тілах й у газовому розряді є зіткнення. Моменти сутичок випадково розподілені у часу, що призводить до хаотичного розподілу фаз хвиль, випромінюваних окремими атомами, т. е. до некогерентности їх випромінювання. Завдання створення джерела когерентного світла було вирішено лише з приходом Л., у якому використовується принципово інший метод высвечивания возбуждённых атомів, дозволяє, попри некогерентный характер порушення окремих атомів, отримувати когерентные пучки світла з дуже малої расходимостью. Якщо інтенсивність випромінювання Л. порівняти з інтенсивністю випромінювання абсолютно чорного тіла у тому спектральному і кутовому інтервалах, то виходять фантастично великі температури, в мільярди і більше разів перевищують реально досяжні температури теплових джерел кольору. З іншого боку, мала расходимость випромінювання дозволяє собі з допомогою звичайних оптичних систем концентрувати світлову енергію в мізерно малих обсягах, створюючи величезні щільності енергії. Когерентність і спрямованість випромінювання відкривають принципово нові можливості використання світлових пучків там, де нелазерные джерела світла неприйнятні. Принцип роботи лазера. Возбуждённый атом може спонтанно (спонтанно) перейти однією з нижележащих рівнів енергії, излучив у своїй квант світла. Світлові хвилі, випромінювані нагрітими тілами, формуються саме у результаті цих спонтанних переходів атомів і молекул. Спонтанний випромінювання різних атомів некогерентно. Проте, крім спонтанного випущення, існують излучательные акти ін. роду. При поширенні в середовищі світловий хвилі із частотою v, відповідної різниці будь-яких двох енергетичних рівнів E1, E2 атомів чи молекул середовища (hn = E2 — E1, де h — стала Планка), до спонтанного випускання частинок додаються ін. радіаційні процеси. Атоми, що перебувають у нижньому енергетичному рівні E1, внаслідок поглинання квантів світла з енергією hn переходять на рівень E2 (рис. 2, а). Кількість таких переходів пропорційно r (n) N1, де r (n) — спектральна щільність випромінювання в эрг/см3, N1 — концентрація атомів, що є лише на рівні E1 (населённость рівня). Атоми, які перебувають на верхньому енергетичному рівні E2, під впливом квантів hn вимушено переходять до рівня E1 (рис. 2, б). Кількість таких переходів пропорційно r (n) N2, де N2 — концентрація атомів лише на рівні E2. Через війну переходів E1 > E2 хвиля втрачає енергію, послаблюється. А в результаті переходів E2 > E1 світлова хвиля посилюється. Результуюче зміна енергії світловий хвилі визначається різницею (N2 — N1). У разі термодинамічної рівноваги населённость нижнього рівня N1 більше населённости верхнього N2. Тому хвиля втрачає більше енергії, ніж набуває, т. е. має місце поглинання світла. Однак у деяких спеціальних випадках виявляється можливим створити такі умови, коли виникає інверсія населённостей рівнів E1 і E2, коли він N2 > N1. У цьому змушені переходи E2 > E1 переважають і поставляють в світлову хвилю більше енергії, ніж втрачається на результаті переходів E1 > E2. Світлова хвиля у разі не послаблюється, а усиливается.

[pic].

Рис. 2 Випромінювані атомами внаслідок змушених переходів E2 > E1 хвилі по частоті n, напрямку поширення, поляризації і фазі тотожні первинної хвилі і, отже, когерентны одна одній незалежно від цього, як відбувалося порушення атомів до рівня E 2. Саме когерентність вимушеного випромінювання призводить до посиленню світловий хвилі в середовищі з інверсією населённостей, а чи не просто до випромінюванню нових хвиль. Середовище з інверсією населённостей будь-якої пари рівнів E1, E2, здатну посилювати випромінювання частоти n = (E2 — E1)/h, зазвичай називають активной.

[pic].

Рис. 3: Посилення світловий хвилі атомами активної середовища Спонтанний випромінювання однієї з возбуждённых атомів активної середовища (т. е. атома, знаходиться в рівні E2), як воно вийде з обсягу V, може викликати змушені переходи ін. возбуждённых атомів і як наслідок посилиться (рис. 3). Істотно, що забезпечить посилення залежить від шляху, прохідного хвилею серед, т. е. від напрямку. Якщо помістити активну середу найпростіший оптичний резонатор, т. е. між двома паралельними напівпрозорими дзеркалами, які перебувають на певному відстані один від немов у интерферометре Фабрі — Перо (рис. 4), то найбільш сприятливі умови потрапляє хвиля, поширювана вздовж осі інтерферометра. Посилюючись, вона до дзеркала, позначиться його й піде у напрямі, продовжуючи посилюватися, потім позначиться від другого дзеркала тощо. При кожному «проході» інтенсивність хвилі збільшується в ekL раз, де k — коефіцієнт посилення в см-1, L — довжина шляху хвилі в активної середовищі. Якщо посилення на довжині L більше втрат, які долають хвилею для відсічі, те з кожним проходом хвиля буде посилюватися дедалі більше і більше, поки щільність енергії r (n) в хвилі не досягне деякого граничного значення. Зростання r (n) припиняється, коли що виділятимуться внаслідок змушених переходів енергія, пропорційна r (n), неспроможна компенсуватися енергією, затрачиваемой на порушення атомів. Через війну між дзеркалами встановлюється стояча хвиля, а крізь напівпрозорі дзеркала виходить назовні потік когерентного излучения.

[pic].

Рис. 4: Активна середовище в интерферометре Фабрі - Перо Интерферометр Фабрі — Перо, заповнений активної середовищем з досить великим коефіцієнтом посилення, є найпростіший Л. У Л. використовуються оптичні резонатори та інших. типів — з пласкими дзеркалами, сферичними, комбінаціями пласких і сферичних та інших. (див. Відкритий резонатор). У оптичних резонаторах, які забезпечують зворотний зв’язок в Л., можуть порушуватися лише окремі певні типи коливань електромагнітного поля, називаються власними коливаннями чи модами резонатора. Моди характеризуються частотою і формою, т. е. просторовим розподілом коливань. У резонаторе з пласкими дзеркалами (рис. 4) переважно порушуються типи коливань, відповідні пласким хвилях, що поширюється вздовж осі резонатора. Такий резонатор дозволяє отримувати випромінювання високої спрямованості. Тілесний кут DW, у якому зосереджений потік випромінювання, може бути зроблений [pic], де D — діаметр дзеркал. Для l «1 мкм і D = 1 див величина [pic] «10−8 (для теплових джерел DW ~ 2p). Оптичний резонатор накладає певні обмеження на спектральний склад випромінювання. При заданої довжині резонатора L у ньому порушуються хвилі з частотами [pic], де з — швидкість світла, n — ціла кількість. Через війну спектр випромінювання Л., зазвичай, є набір вузьких спектральних ліній, інтервали між якими однакові і рівні c/2L. Кількість ліній (компонент) при заданої довжині L залежить від властивостей активної середовища, т. е. від спектра спонтанного випромінювання на використовуваному квантовому переході і може становити кілька десятків і сотень (рис. 5). При певних умовах виявляється можливим виділити одну спектральную компоненту, т. е. здійснити одномодовый режим генерації. Спектральна ширина кожної з компонент dnл визначається втратами енергії в резонаторе й у першу чергу, пропусканием і поглинанням світла дзеркалами. Оскільки величина dnл то, можливо зроблено в багато разів менше ширини спектральних ліній спонтанного випромінювання атомів, то випромінювання Л. в одномодовом режимі характеризується високої монохроматичностью.

[pic].

Рис. 5: Моди оптичного резонатора Існуючі Л. различаются:

1) способом створення середовищі інверсії населённостей, чи, кажуть, способом накачування (оптична накачування, порушення електронним ударом, хімічна накачування і т.п.

2) робочої середовищем (твёрдые діелектрики, напівпровідники, гази, жидкости);

3) конструкцією резонатора;

4) режимом роботи (імпульсний, безперервний). Всі ці відмінності визначаються потребами застосувань, предъявляющих часто зовсім різні вимоги до характеристикам Л. Методи створення інверсії населённости. До сформування активної Середовища необхідно виборче порушення атомів, що забезпечує переважне заселення однієї чи кількох рівнів енергії. Однією з найпростіших і найефективніших методів є метод оптичної накачування, який використали у першому Л. на рубіні. Рубін є кристал окису алюмінію Al2O3 з додатком (~ 0,05%) іонів Cr3+, заміщуючих атоми Al. Рівні енергії іона Cr3+ в рубіні показані на рис. 6. Поглиненна світла, відповідного синьої і зеленої областям спектра, переводить іони Cr3+ з основного рівня E1 на возбуждённые рівні, що утворюють дві широкі смуги 1 і 2. Потім за порівняно мале час (~ 10−8 сек) здійснюється безызлучательный перехід цих іонів на рівні E2 і [pic]. Надлишок енергії у своїй передається коливань кристалічною ґрати. Час життя іонів Cr3+ на рівнях E 2 і [pic]составляет 10−3 сек. Тільки через цього часу іони знову повертаються на основний рівень E1. Переходами E2> E1 і [pic]> E1 відповідає випромінювання у червоній області спектра. Якщо висвітлювати кристал рубіна світлом джерела, який володіє досить великий інтенсивністю у синьому і зеленої областях спектра (смуги накачування), то відбувається накопичення іонів Cr3+ на рівнях E2 і [pic]и виникає інверсія населённостей цих рівнів стосовно осн. рівню E1. Це й дозволило створити Л., працюючий на переходах E2> E1 і [pic]> E1, генеруючий світ із довжиною хвиль l «0,7 мкм.

[pic].

Рис. 6: Рівні енергії кристала рубіна (структура) До сформування інверсії населённостей рівнів E2, [pic]относительно E1 необхідно перевести понад половину іонів Cr3+ на рівні E2, [pic]за час, не що перевищує 10−3 сік. Це пред’являє великі вимоги до потужності джерела накачування. Як таких джерел використовуються імпульсні ксеноновые лампи. Тривалість імпульсу накачування зазвичай ~ 10−3 сік. Упродовж цього терміну у кожному см3 кристала поглинається енергія на кілька дд. Метод оптичної накачування має кількома перевагами. По-перше, він застосуємо для порушення середовищ з великою концентрацією частинок (твёрдые тіла, рідини). По-друге, його порушення дуже селективен. Так було в рубіні переважно поглинається лише не та частина спектра випромінювання ламп накачування, яка відповідальна за порушення іонів Cr3+. Все інше випромінювання потрапляє у область прозорості й поглинається щодо слабко. Тому ставлення повної енергії, вкладеній у одиницю обсягу робочого речовини, до корисною енергії, витраченої створення инверсной населённостей рівнів, переважно визначається особливостями використовуваної системи рівнів. Решта втрати енергії зведені до мінімуму. У рубіні втрачається лише не та частина енергії, яка йде на порушення власних коливань кристалічною ґрати внаслідок безызлучательных переходів (рис. 6, хвилясті стрілки). Зменшення паразитних втрат енергії істотно зменшення теплових навантажень речовини. Питома енергія імпульсу генерації в твердотільних Л. сягає кількох дд від кожної см3 речовини. Приблизно стільки ж енергії залишається у робочому речовині. Для одноатомного газу при атмосферному тиску енергія один дд відповідає температурі 10 000 До. Для твердого тіла, внаслідок великий теплоёмкости, виділення енергії ~ 1 дж/см3 дає нагрівання упродовж десятків градусів. Недоліком методу оптич. накачування є малий ккд. Ставлення енергії імпульсу Л. до електричної енергії харчування лампы-накачки у разі вбирається у кількох % через неповного використання спектра ламп накачування (~ 15%) і внаслідок втрат на перетворення електричної енергії в світлову лише у лампах. Велике поширення отримав метод створення активної середовища у електричному розряді у різних газах. Можливості отримання з допомогою цього імпульсів генерації великий енергії обмежуються переважно малої щільністю робочої середовища; інверсію населённостей легше отримати у порівняно розріджених газах. Однак це метод дозволяє вживати як активної середовища Л. найрізноманітніші атомні і молекулярні гази й їхні суміші, і навіть різні типи електричних розрядів в газах. З’ясувалося можливим створити Л., працюють у інфрачервоної, видимої і ультрафіолетової областях спектра. З іншого боку, порушення в електричному розряді дозволяє реалізувати безперервний режим роботи Л. з великим ккд перетворення електричної енергії в енергію випромінювання Л. У найбільш потужному газоразрядном Л. безперервного дії на суміші молекулярних газів CO2 і N2 (з додаванням низки ін. компонентів) механізм освіти інверсії населённостей ось у чому: електрони газоразрядной плазми, ускоряемые електричним полем, при зіткненнях збуджують коливання молекул N2. Потім у результаті сутичок возбуждённых молекул N2 з молекулами CO2 відбувається заселення однієї з коливальних рівнів CO2, як і забезпечує виникнення інверсії населённостей. Усі стадії цього процесу виявляються дуже ефективними, і ккд сягає 20—30%. Надалі стало можливим створити газодинамический лазер на суміші CO2 і N2, у якому газова суміш нагрівається до температури Т ~ 2000 До, формується надзвуковою потік, який, виходячи з сопла, розширюється й цим швидко охолоджується. Через війну швидкого охолодження виникає інверсія населённостей робочих рівнів CO2. Ккд перетворення теплової енергії в випромінювання газодинамического Л. невеликий (~ 1%). Проте газодинамические Л. дуже перспективні, т. до., по-перше, у разі полегшується завдання створення великогабаритних Л. великої потужності й удругих, під час використання теплових джерел енергії питання ккд Л. стоїть менш гострий, ніж у випадку электроразрядных Л. При спалюванні 1 грамів пального (наприклад, гасу) виділяється енергія порядку десятка тис. дд, тоді як електрична енергія, запасна в конденсаторах, що живлять лампи спалахи, — порядку 0,1 дд на 1 см³ обсягу конденсатора. Т. до. хімічні зв’язку молекул є виключно энергоёмким накопичувачем енергії, то перспективне безпосереднє використання енергії хімічних зв’язків для порушення частинок, т. е. створення активної середовища Л. внаслідок хімічних реакцій. Прикладом хімічної накачування є реакція водню чи дейтерію з фтором. Якщо суміші H2 і F2 к.-л. чином диссоциировать невелика кількість молекул F2, виникає ланцюгова реакція F + H2 > HF + H, H + F2 > HF + F тощо. Молекули HF, які утворюються внаслідок цієї реакції, перебувають у возбуждённом стані, причому для низки квантових переходів виконуються умови інверсії населённостей. Якщо до початкової суміші додати CO2, то, крім Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), вдається також створити Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Тут колебательно возбуждённые молекули HF грають таку ж роль, як і молекули N2 в газорозрядних лазерах на CO2. Ефективнішою у разі виявляється суміш D2, F2 і CO2. У цьому суміші коефіцієнт перетворення хімічної енергії в енергію когерентного випромінювання може становити 15%. Хімічні Л. можуть працюватиме, як в імпульсному, і у безупинному режимах; розроблено різні варіанти хімічних Л., зокрема подібні до газодинамическими Л. У напівпровідниках активну середу стало можливим створювати різними способами:

1) инжекцией носіїв струму через электронно-дырочный переход;

2) порушенням електронним ударом;

3) оптичним порушенням Твердотільні лазери. Існує велика кількість твердотільних Л., як імпульсних, і безперервних. Найбільшого поширення набула серед імпульсних отримали Л. на рубіні і неодимовом склі (склі з додатком Nd). Неодимовый Л. дбає про довжині хвилі l = 1,06 мкм. Виявилося можливим виготовляти порівняно більші поступки й досить оптично однорідні стрижні довжиною до 100 див і з діаметром 4—5 див. Один такий стрижень може дати імпульс генерації з енергією 1000 дд під час ~ 10−3 сік. Л. на рубіні, поруч із Л. на неодимовом склі, є потужними імпульсними Л. Повна енергія імпульсу генерації сягає сотень дд при тривалості імпульсу 10−3 сек. Виявилося також можливим реалізувати режим генерації імпульсів з великою частотою повторення (за кілька кгц). Прикладом твердотільних Л. безперервного дії є Л. на флюорите кальцію CaF2 з додатком диспрозия Dy і Л. на иттриево-алюминиевом гранаті Y3Al5O12 з домішками різних рідкісноземельних атомів. Більшість таких Л. працює у області довжин хвиль l від 1 до 3 мкм. Можливість реалізації безперервного режиму на цих Л. зазвичай пов’язана з тим, що найнижчим рівнем робочого переходу не основний рівень E1, а возбуждённый рівень E2 (рис. 7). Якщо рівень E2 досить далеко відстоїть по енергії від основного рівня E1 (проти кТ, де до — стала Больцмана, Т — температура) разом й характеризується досить малим часом життя, то інверсія населённостей для рівнів E2, E3 може бути створена з допомогою порівняно малопотужних джерел оптичної накачування. В окремих з цих Л. генерація здійснена при накачуванню сонячним світлом. Типове значення потужності генерації твердотільних Л. у безперервному режимі ~ 1 ут або часток ут, для Л. на иттриево-алюминиевом гранаті ~ десятків ут. Не приймати спеціальних заходів, то спектр генерації твердотільних Л. порівняно широкий, т.к. зазвичай реалізується многомодовой режим генерації. Проте введенням у оптичний резонатор селектирующих елементів вдається отримувати одномодовую генерацію. Зазвичай, це пов’язано з значним зменшенням генерованою мощности.

[pic] Рис. 7: Рівні активної cреды твердотельного лазера безперервного действия.

(схема) Труднощі вирощування великих монокристалів чи варіння великих зразків однорідної та прозорішого скла увінчалися створенням рідинних Л., в яких домішки атомів рідкісноземельних елементів вводяться над кристали, а в рідина. Проте рідинні Л. мають вади суспільства і тому застосовуються не настільки широко, як твердотільні Л Генерація коротких і сверхкоротких імпульсів. Якщо накачування твердотельного Л. використовується лампа-вспышка з тривалістю імпульсу Dtn ~ 10−3 сік, то імпульс генерації триває приблизно таку ж час. Невеликий запізніле розуміння початку генерації проти лампой-вспышкой зумовлено тим, для розвитку генерації необхідно перевищити деяке граничне значення інверсії населённостей, після чого посилення за прохід робочого обсягу починає перевищувати сумарні втрати енергії рахунок відображення променя від дзеркал резонатора, паразитного поглинання і розсіювання світла. При досить великих потужностях накачування поріг генерації досягається під час t.