Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.

Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.

Прежде всего рассмотрим лазер, работающий по четырехуровневой схеме и имеющий для простоты лишь одну полосу поглощения накачки (полоса 3 на рис. 5.1). Впрочем, последующий анализ останется без изменения, даже если мы будем иметь дело с более чем одной полосой (или уровнем) поглощения накачки, при условии, что релаксация из этих полос на верхний лазерный уровень 2 происходит очень быстро. Обозначим

населенности четырех уровней 0, 1, 2 и 3 соответственно через Будем считать, что лазер генерирует только на одной моде резонатора. Пусть - полное число фотонов в резонаторе. Считая, что переходы между уровнями 3 и 2 и уровнями 1 и 0 являются быстрыми, можно положить . Таким образом, мы имеем следующие скоростные уравнения:

В уравнении (5.1а) величина представляет собой полное число активных атомов (или молекул). В уравнении (5.16) слагаемое учитывает накачку [см. уравнение (1.10)]. Явные выражения для скорости накачки как в случае оптической, так и электрической накачки уже были получены в гл. 3. В том же уравнении член соответствует вынужденному излучению. Скорость вынужденного излучения как показано в гл. 2, действительно пропорциональна квадрату электрического поля электромагнитной волны и, следовательно, пропорциональна Поэтому коэффициент В можно рассматривать как скорость вынужденного излучения на один фотон в моде. Величина представляет собой время жизни верхнего лазерного уровня и в общем случае определяется выражением (2.123). В уравнении (5.1 в) член соответствует скорости изменения числа фотонов вследствие вынужденного излучения. Действительно, как мы уже видели, член в уравнении (5.16) представляет собой скорость уменьшения населенности за счет вынужденного излучения. Поскольку каждый акт вынужденного излучения приводит к появлению фотона, скорость увеличения числа фотонов должна быть равна где - объем, занимаемый модой внутри активной среды (точное определение модового объема дано ниже). Наконец, член [где - время жизни фотона (см. разд. 4.3)] учитывает уменьшение числа фотонов из-за потерь в резонаторе.

Рис. 5.1. Схема энергетических уровней четырехуровиевого лазера.

Строгое определение объема моды требует подробного рассмотрения, которое приводится в приложении Б. В результате мы имеем следующее определение

где - распределение электрического поля внутри резонатора, Е - максимальное значение этого поля, а интегрирование производится по объему, занимаемому активной средой. Если рассматривается резонатор с двумя сферическими зеркалами, то отношение равно вещественной части выражения (4.95). Уместно привести в качестве примера симметричный резонатор, состоящий из двух зеркал, радиусы кривизны которых много больше, чем длина резонатора. Тогда размер пятна моды будет приблизительно постоянным по всей длине резонатора и равным значению в центре резонатора. Аналогичным образом радиус кривизны эквифазных поверхностей будет достаточно большим и волновые фронты можно считать плоскими. Тогда из выражения (4.95) для моды получаем

здесь мы положили Из выражений (5.2) и (5.3) имеем

где - длина активной среды. При выводе этого выражения мы учли тот факт, что является медленно меняющейся функцией по сравнению с так что можно положить Таким образом, появление четверки в знаменателе выражения (5.4) является результатом следующих двух обстоятельств: 1) наличие множителя 1/2 обусловлено тем, что мода имеет характер стоячей волны, так что в соответствии с приведенными выше рассуждениями ; 2) еще один множитель 1/2 появляется из-за того, что - это размер пятна для амплитуды поля Е, в то время как размер пятна для интенсивности поля (т. е. для очевидно, в раз меньше.

Прежде чем продолжить наше рассмотрение, следует заметить, что в выражении (5.1 в) пренебрегается слагаемым, учитывающим спонтанное излучение. В действительности же, как отмечалось в гл. 1, генерация возникает за счет спонтанного излучения; поэтому следует ожидать, что уравнения (5.1) не дают правильного описания возникновения генерации. В самом деле, если в уравнении (5.1 в) положить в момент времени то мы получим , следовательно, генерация не сможет возникнуть. Для учета спонтанного излучения можно было бы снова попытаться, исходя из простого условия баланса, начать рассмотрение с члена который в уравнении (5.16) входит в слагаемое При этом может показаться,

что в уравнении (5.1в) слагаемое, учитывающее спонтанное излучение, должно было бы иметь следующий вид: Однако это неверно. На самом же деле, как показано в разд. 2.4.3 [см., в частности, выражение (2.115)], спонтанное излучение распределено в некотором частотном интервале и форма его линии описывается функцией Однако в уравнении (5.1 в) член, учитывающий спонтанное излучение, должен включать в себя лишь ту долю этого излучения, которая дает вклад в рассматриваемую моду. Правильное выражение для этого члена можно вывести только из квантовомеханического рассмотрения электромагнитного поля моды резонатора. Получаемый при этом результат является очень простым и поучительным . В случае когда учитывается спонтанное излучение, уравнение (5.1 в) преобразуется к виду

Все это выглядит так, как будто члену, отвечающему вынужденному излучению, мы добавили «дополнительный фотон». Однако ради простоты мы не будем в дальнейшем вводить такого дополнительного члена, связанного со спонтанным излучением, а вместо этого предположим, что в начальный момент времени в резонаторе уже присутствует некоторое небольшое число фотонов Как мы увидим, введение этого небольшого числа фотонов, которое необходимо лишь для возникновения генерации, в действительности никоим образом не сказывается на последующем рассмотрении.

Займемся теперь выводом явных выражений для величины В, которая входит в уравнения (5.16) и (5.1 в). Строгое выражение для этой величины выводится снова в Приложении Б. Для большинства практических целей подходит приближенное выражение, которое можно получить, исходя из простых соображений. Для этого рассмотрим резонатор длиной в котором находится активная среда длиной с показателем преломления Можно считать, что мода резонатора образована суперпозицией двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Пусть I - интенсивность одной из этих волн. В соответствии с выражением (1.7) при прохождении волны через слой активной среды ее интенсивность изменяется на величину где а - сечение перехода на частоте рассматриваемой моды резонатора. Определим теперь следующие величины: и -коэффициенты пропускания двух зеркал резонатора по мощности; - соответствующие относительные коэффициенты потерь на зеркалах; 3) Г, - относительный коэффициент внутренних потерь за проход. Тогда изменение интенсивности за полный проход резонатора

Здесь и - логарифмические потери за проход, обусловленные пропусканием зеркал, а - внутренние логарифмические потери. Для краткости будем называть у, и потерями на пропускание, а - внутренними потерями. Как станет ясно в дальнейшем, благодаря экспоненциальному характеру лазерного усиления запись с помощью логарифмических потерь значительно более удобна для представления потерь в лазерах. Однако следует заметить, что, хотя для небольших значений пропускания, для больших значений пропускания это неверно. Приведем пример: если положить то получим т. е. , в то время как для имеем Следует также заметить, что с помощью выражений (5.7) можно определить полные потери за проход:

Определив логарифмические потери , подставим выражения (5.7) и (5.8) в (5.6). Вводя дополнительное условие

экспоненциальную функцию в (5.6) можно разложить в степенной ряд, и мы получаем

Разделим обе части этого выражения на интервал времени за который световая волна совершает полный проход резонатора,

т. е. на величину где определяется выражением

Используя приближение получаем

Поскольку число фотонов в резонаторе пропорционально интенсивности уравнение (5.12) можно сравнить с (5.1в). При этом получаем следующие выражения:

Величину V мы будем называть эффективным объемом моды резонатора. Заметим, что формула (5.136) обобщает полученное в разд. 4.3 выражение для времени жизни фотона. Кроме того, выражение (5.14) для объема резонатора справедливо лишь приблизительно. На самом деле в Приложении Б показано, что в (5.13а) следует использовать более строгое выражение для V, а именно

здесь первый интеграл берется по объему активной среды, а второй - по оставшемуся объему резонатора. Заметим, впрочем, что для симметричного резонатора с зеркалами большого радиуса кривизны оба выражения (5.14) и (5.15) дают

До сих пор наше рассмотрение было направлено на обоснование уравнения (5.1 в) и на вывод явных выражений для В и через измеряемые параметры лазера. Однако следует заметить, что мы указали также и на пределы применимости уравнения (5.1в). Действительно, при выводе уравнения (5.12) нам пришлось использовать приближение (5.9), согласно которому разница между усилением и потерями невелика. Для непрерывного лазера это условие всегда выполняется, поскольку в установившемся процессе (см. разд. 5.3.1). А вот для импульсного лазера условие (5.9) будет справедливо лишь тогда, когда лазер работает при малом превышении над порогом. Если условие (5.9) не выполняется, то неприменимы и уравнения

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E 2 и базовый Е 1 . Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E 2 , то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E 2 - E 1 . Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором - спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:10 33), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν 02 накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E 0 до верхнего Е 2 . Безызлучательный переход атомов с E 2 до E 1 устанавливает инверсию населенности между E 1 и E 0 , что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E 1, и переход от Е 2 до Е 1 происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E 0 и E 1 достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е 1 -Е 0 индуцированного излучения. Более широкий уровень E 2 мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E 1 должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti +3 , Cr +3 , V +2 , Со +2 , Ni +2 , Fe +2 , и т. д.), редкоземельных ионов (Ce +3 , Pr +3 , Nd +3 , Pm +3 , Sm +2 , Eu +2,+3 , Tb +3 , Dy +3 , Ho +3 , Er +3 , Yb +3 , и др.), и актиноидов, подобных U +3 . ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды - вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных - гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, - несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями - в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F 2) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar + и отрицательные F - реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью - перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.

Контрольная работа

ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Введение

2.2. Рубиновый лазер

3.2. Неодимовый лазер

3.7. Волоконные лазеры

5. Полупроводниковые лазеры

5.1. Принцип действия

5.2. ДГС-лазеры

5.3. РОС- и ВРПИ-лазеры

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создаётся:

1) в твёрдых телах – главным образом в диэлектрических кристаллах и стёклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также – в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника,

2) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы – молекулы органических красителей.

В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счёт индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул. В полупроводниковых структурах вынужденное излучение возникает в результате рекомбинации свободных электронов и дырок. В отличие от газовых лазеров (см., раздел 4) инверсия населённостей в твёрдотельных и жидкостных лазерах всегда создаётся на переходах, близкорасположенных к основному энергетическому состоянию активной частицы.

Поскольку диэлектрические кристаллы не проводят электрический ток, то для них а также и для жидких сред используется т.наз. оптическая накачка – накачка лазерного перехода оптическим излучением (светом) от вспомогательного источника.

В полупроводниковых лазерах чаще используется накачка электрическим током (инжекционным током), протекающим через полупроводник в прямом направлении, реже – другие типы накачки: оптическая накачка, либо накачка бомбардировкой электронами.

1. Специфика оптической накачки активной среды лазера

Важной особенностью ОН является её селективность , а именно: подбором длины волны излучения ОН можно избирательно возбуждать нужное квантовое состояние активных частиц. Найдём условия, обеспечивающие максимальную эффективность процесса возбуждения активных частиц за счёт оптической накачки (ОН), в результате чего активная частица испытывает квантовый переход из энергетического состояния ‘ i ’ в вышерасположенное по шкале энергии возбуждённое состояние ‘ k ’. Для этого воспользуемся выражением для мощности излучения источника ОН, поглощаемой активными частицами облучаемой среды (см., раздел 1.9)

. (1)

В (1) входят частотная зависимость спектральной плотности энергии излучения источника ОН и функция формы линии поглощения среды, т.е. её частотная зависимость (форм-фактор) .

Очевидно, что скорость поглощения и величина поглощаемой мощности будут максимальными, когда:

1) концентрация частиц в состоянии ‘ i ’ будет наибольшей, т.е. ОН эффективна при высокой плотности активных частиц, а именно, из всего многообразия сред – для сред, находящихся в конденсированном состоянии (твёрдых тел и жидкостей);

2) В состоянии ТДР распределение частиц по состояниям с различными значениями внутренней (потенциальной) энергии описывается формулой Больцмана, а именно: максимальной заселённостью обладает основное (низшее) энергетическое состояние частицы и ансамбля в целом. Отсюда следует, что состояние ‘ i ’ должно являться основным энергетическим состоянием частицы;

3) для возможно более полного поглощения энергии источника ОН (наибольшей Δ P ik ) желательно иметь среду с наибольшим значением коэффициента поглощения на квантовом переходе: (см., ф-лу (1.35)), а поскольку пропорционален коэффициенту Эйнштейна B k i , а В ki А ki (см., ф-лу (1.11,б)), то желательно, чтобы поглощающий переход был бы “разрешённым” и “резонансным”;

4) Желательно, чтобы ширина спектра излучения источника накачки была бы не больше ширины контура поглощения активных частиц. При накачке спонтанным излучением ламп добиться этого, как правило, не удаётся. Идеальной с этой точки зрения является “ когерентная ” накачка – накачка монохроматическим излучением лазера, при которой вся линия (весь спектр) излучения ОН “попадает” в контур поглощения. Такой режим поглощения и был рассмотрен нами в разделе 1.9;

5) очевидно, что эффективность ОН будет тем выше, чем большая доля излучения будет поглощаться активными частицами посредством квантового перехода с накачкой нужного уровня. Так, если активная среда представляет собой кристалл (матрицу), легированную активными частицами, то матрица должна выбираться такой, чтобы излучение ОН ею не поглощалось, т.е. чтобы матрица была бы “прозрачной” для излучения накачки, что исключает в том числе и нагрев среды. В то же время полный КПД системы “источник ОН – активная среда лазера” обычно в большой степени определяется эффективностью преобразования электрической энергии, вкладываемой в источник накачки,– в его излучение;

6) В разделе 1.9 было показано, что в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями ни при каких значениях интенсивности внешнего излучения (т.е. оптической накачки) принципиально невозможно получить инверсию населённостей: при →∞ удаётся лишь уравнять населённости уровней.

Поэтому для накачки квантового лазерного перехода оптическим излучением и создания на нём инверсии населённостей, используются активные среды с одним или двумя вспомогательными энергетическими уровнями, что вместе с двумя уровнями лазерного перехода образует трёх- или четырёхуровневую схему (структуру) энергетических уровней активной среды.

2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по “трёхуровневой схеме”

2.1. Теоретический анализ трёхуровневой схемы . 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».

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

(2)

где n 1 , n 2 , n 3 – концентрации частиц на уровнях 1,2 и 3, Wn 1 и Wn 3 – скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями «1» и «3» под действием излучения накачки, вероятность которой W ; w ik – вероятности переходов между уровнями, N

Из (2) можно найти населённости уровней n 2 и n 1 , как функцию W , и их разность Δ n в виде

, (3)

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

, (4)

где W пор – пороговый уровень накачки. Так как всегда W пор >0, то отсюда следует, что w 32 > w 21 , т.е. вероятность накачки уровня «2» релаксационными переходами с уровня «3» должна быть больше вероятности его релаксации в состояние «1».

В случае, если

w 32 >> w 21 и w 32 >> w 31 , (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W >> w 21 , то инверсия Δ n будет: Δ n ≈ n 2 ≈ 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 w 32 >> w 21 и максимальна когда w 32 >> w 31 ;

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

3) при невысоких w 21 создаются условия для “пичкового” режима свободной генерации лазера.

2.2. Рубиновый лазер . Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл А l 2 O 3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr 3+ (концентрация ионов ~1,6∙10 19 см 3 ), и обозначается как А l 2 O 3 : Cr 3+ . Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr 3+ : нижний лазерный уровень «1» является основным энергетическим состоянием Cr 3+ в А l 2 O 3 , верхний лазерный уровень «2» – долгоживущий метастабильный уровень с τ 2 ~10 3 с. Уровни «3а» и «3б» являются вспомогательными . Переходы «1»→«3а» и «1»→«3б» принадлежат к синей (λ0,41мкм) и “зелёной” (λ0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Δ λ ~50нм) контура поглощения (полосы).

Рис. 2. Рубиновый лазер. (а) – Диаграмма энергетических уровней Cr 3+ в Al 2 O 3 (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, С н – 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» Cr 3+ по каналу «1»→«3» ионами Cr 3+ при поглощении ионами Cr 3+ 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 ρ энергии излучения источника накачки: когда, и на переходе «2»→«1» возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на λ694,3нм и λ692,9нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень «2» около ⅓ всех активных частиц, что при накачке с λ0,56мкм требует удельную энергию излучения Е пор >2Дж/см 3 (и мощность Р пор >2кВт/см 3 при длительности импульса накачки τ ≈10 3 c ). 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…10Гц);

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 Δν неодн ~10 11 Гц,

число продольных мод М~10 2 , длительность импульса ~10пс.

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

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7…0,82 мкм.

2.3. Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель . Такой усилитель, называемый часто “ EDFA ” (аббревиатура от “ Erbium Dopped Fiber Amplifier ”), работает по трёхуровневой схеме на квантовых переходах между электронными состояниями Er 3+ в кварцевом волокне, легированном эрбием: SiO 2 : Er 3+ (рис. 3,а). Нижним квантовым состоянием «1» является основное электронное состояние Er 3+ – 4 I 15/2 . Верхними квантовыми состояниями «2» является группа нижних подуровней расщеплённого электронного состояния 4 I 13/2 . Расщепление на ряд близкорасположенных подуровней возникает из-за взаимодействия ионов Er 3+ с внутрикристаллическим полем SiO 2 (эффект Штарка). Верхние подуровни электронного состояния 4 I 13/2 и отдельный уровень 4 I 11/2 являются вспомогательными уровнями «3а» и «3б».

Под действием излучения накачки на длинах волн 980нм (или 1480нм) ионы Er 3+ переходят из состояния «1» в короткоживущие состояния «3а» или «3б», а затем быстрыми безызлучательными переходами (w 32 ~10 6 c –1 ) – в состояние «2», которое является квазиметастабильным (w 21 ~10 2 c –1 , а τ 2 ~10мс). Таким образом, требование w 32 >> w 21 выполняется, и на уровне «2» происходит накопление частиц, число которых при превышении уровня накачки над ее пороговым значением W > W пор , превышает населённость уровня «1», т.е. возникнет инверсия населённостей и усиление на длинах волн в диапазоне 1,52…1,57мкм (рис. 3,б). Оказывается, что порог инверсии достигается, когда на уровень «2» переводится одна треть частиц. Пороговый уровень ОН– W пор и частотная зависимость коэффициента усиления определяются структурой волокна (рис. 3,б), концентрацией Er 3+ и длиной волны излучения ОН. Эффективность накачки, а именно отношение ненасыщенного коэффициента усиления к единице мощности источника ОН, составляет для накачки с λ980нм–до 11дБ·м –1 ∙мВт –1 , а для λ1480нм–около 6дБ·м –1 ∙мВт –1 .

Соответствие частотного диапазона усиления EDFA третьему “окну про-зрачности” кварцевого волокна обуславливает применение таких усилителей в качестве компенсаторов линейных потерь современных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с частотным уплотнением каналов (системы WDM : Wavelength Division Multiplexing , и DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing ). Отрезок кабеля-усилителя, накачиваемый излучением полупроводникового лазера, достаточно просто включается в ВОЛС (рис. 3,в). Использование эрбиевых волоконных усилителей в ВОЛС заменяет технически гораздо более сложный метод “регенерации” сигнала – выделения слабого сигнала и его восстановления.

Рис. 3. Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель (EDFA ). (а)–схема энергетических уровней Er 3+ в SiO 2 (кварце), (б)–усиление сигнала в кварце с различными добавками, (в )–упрощенная схема включения усилителя в ВОЛС:1–входное излучение (из тракта передачи), 2– полупроводниковый лазер накачки, 3–мультиплексор (coupler ), 4– EDFA (волокно SiO 2 : Er 3+ ), 5–оптический изолятор, 6–выходное излучение (в тракт передачи).

3. Лазеры с оптической накачкой, работающие по “четырёхуровневой схеме”.

3.1. Теоретический анализ четырёхуровневой схемы . В такой схеме уровней (рис. 4) уровень «0» является основным энергетическим состоянием ансамбля частиц, уровень «1», связанный квантовым переходом с уровнем «0», является нижним лазерным, долгоживущий уровень «2» является верхним лазерным уровнем, а уровень «3» является вспомогательным. Накачка действует по каналу «0»→«3».

Найдем условие существования инверсии между уровнями «2» и «1». Полагая статистические веса уровней одинаковыми, а также полагая, что

и, (6)

запишем упрощённую систему кинетических уравнений для уровней «3», «2» и «1»в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на всех уровнях:

(7)

где n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , – концентрации частиц на уровнях 0,1,2,3; Wn 0 и Wn 3 – скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями «0» и «3» под действием излучения накачки, вероятность которой W ; w ik –вероятности переходов между уровнями, N –полное число активных частиц в единице объёма.

Из (6 и 7) можно найти населённости уровней n 1 и n 2 как функцию W , и их разность Δ n в виде

, (8)

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления α 0 на переходе «2»→«1».

Очевидно, что коэффициент усиления будет положительным и максимальным, когда:

. (9)

Отсюда можно сделать выводы, что при четырёхуровневой схеме с ОН, когда выполняются условия (6) и (9):

1) инверсия не носит порогового характера и существует при любых W ;

2) выходная мощность лазера, определяемая выражением (2.14), зависит от скорости оптической накачки Wn 0 .

3) по сравнению с трёхуровневой, четырёхуровневая схема является более универсальной и позволяет создавать инверсию населённостей, а также осуществлять как импульсную, так и непрерывную и генерацию при любых уровнях накачки (когда усиление превышает потери в ООР).

3.2. Неодимовый лазер . В лазере используется квантовый переход между электронными энергетическими уровнями Nd 3+ , лазерная генерация осуществляется по четырёхуровневой схеме с ОН (рис. 5). Наиболее широко применяемой кристаллической матрицей для ионов Nd 3+ является иттрий-алюминиевый гранат: Y 3 Al 5 O 12 , и легированный кристалл обозначается как Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ или ИАГ: Nd 3+ . Концентрация Nd 3+ , не деформирующая кристалл ИАГ – до 1,5%. Другими матрицами для Nd 3+ являются фосфатные и силикатные стёкла (обозначаемые как стекло : Nd 3+ ), кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ: Nd 3+ ), иттрий-литий фторида– YLiF 4 : Nd 3+ , ортованадата иттрия, металлоорганические жидкости. Благодаря кубической структуре матрицы, спектр люминесценции ИАГ имеет узкие линии, что определяет высокий коэффициент усиления твёрдотельных лазеров на неодиме, которые могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах генерации.

Упрощённая диаграмма энергетических электронных уровней Nd 3+ в ИАГ представлена на рис.5 Нижний лазерный уровень «1» 4 I 11/2 наиболее интенсивного квантового перехода Nd 3+ с длиной волны λ1,06мкм располагается примерно на 0,25эВ выше основного энергетического состояния «0»– 4 I 9/2 , и в нормальных условиях практически не заселён (0,01% от населённости основного состояния), что и определяет низкий порог генерации этого лазера. Уровень 4 F 3/2 , время жизни которого 0,2мс, является верхним лазерным уровнем «2». Группы уровней (энергетические “зоны”) «3а»…«3 д » играют роль вспомогательного электронного уровня «3». Оптическая накачка осуществляется по каналу «0»→«3», полосы поглощения имеют длины волн вблизи 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 и 0,89мкм. Из состояний «3а»…«3 д » происходит быстрая релаксация безызлучательными переходами в верхнее лазерное состояние «2».

Для накачки используются криптоновые и ксеноновые газоразрядные лампы, галогенные лампы с добавками щелочных металлов в наполняющем газе, а также полупроводниковые GaAs лазеры (λ0,88мкм) и светодиоды на основе Ga 1 x Al x As (λ0,81мкм) (рис. 6).

Мощность излучения лазера на ИАГ: Nd 3+ с длиной волны λ1,06мкм в непрерывном режиме достигает 1кВт, рекордные значения, достигнутые в импульсном режиме: энергия импульса – около 200кДж, а мощность–200ТВт при длительности импульса ~1нс (лазер, созданный для экспериментов по управляемому лазерному термоядерному синтезу-ЛТС).

В кристалле ИАГ лазерная линия Nd 3+ с λ1,06мкм уширена однородно (до 0,7нм), в то время, как в стёклах имеет место значительное неоднородное уширение за счёт эффекта Штарка (Δ ν неодн ≈3∙10 12 Гц,), что позволяет успешно применять режим синхронизации продольных мод (см., раздел 3.3) с М ~10 4 и получать сверхкороткие импульсы длительностью порядка 1пс.

Повышенная концентрация ионов-активаторов в таких средах как пентафосфат неодима (NdP 5 O 14 ), тетрафосфат неодима лития (LiNdP 4 O 12 ) и др., обеспечивает эффективное поглощение излучения полупроводникового лазера на расстояниях порядка долей миллиметра, что позволяет создавать миниатюрные модули, называемые минилазерами : полупроводниковый лазер–неодимовый лазер.

Высокая мощность излучения неодимового лазера с λ1,06мкм позволяет осуществлять преобразование частоты его излучения с помощью нелинейных кристаллов. Для генерации второй и высших оптических гармоник используют кристаллы с квадратичной и кубичной нелинейной восприимчивостью (калия дигидрофосфат – KDP , калия титанилфосфат – KTP ), при прямом и (или) последовательном (каскадном) преобразовании. Так, если использовать для излучения неодимового лазера цепочку кристаллов, то можно получать кроме ИК-излучения на основной частоте с λ1,06мкм – генерацию 2-й, 4-й и 5й гармоник с длинами волн λ0,53мкм (зелёное излучение); λ0,35мкм, λ0,26мкм и λ0,21мкм (УФ излучение)–(рис. 7).

Основные области применения неодимовых лазеров: технологические и медицинские установки, эксперименты по управляемому лазерному термоядерному синтезу, исследования резонансного взаимодействия излучения с веществом, в системах подводного видения и связи (λ0,53мкм), оптическая обработка информации; спектроскопия, дистанционная диагностика примесей в атмосфере (УФ излучение) и др.

В лазерах, использующих в качестве матрицы стёкла (силикатные, боратные и др.), могут с успехом применяться и другие ионы-активаторы: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ с излучением в диапазоне 0,9…1,54мкм.

3.3. Преобразование частоты излучения в нелинейной среде . Явление удвоения и сложения частот световых волн состоит в следующем. При распространении света в среде под действием электрического поля электромагнитной волны Е , происходит соответствующее смещение атомных электронов относительно ядер, т.е. среда поляризуется. Поляризуемость среды характеризуется величиной электрического дипольного момента единицы объёма - р , связанного с величиной поля Е через диэлектрическую восприимчивость среды χ : . Если это поле невелико, то диэлектрическая восприимчивость χ = χ 0 = Const , р является линейной функцией от Е : , и смещение зарядов вызывает излучение с той же частотой, что и начальное излучение (“ линейная ” оптика).

При высокой мощности, когда электрическое поле излучения начинает превышать значение внутриатомного поля, поляризуемость становится нелинейной функцией Е : То есть кроме линейно зависящего от Е слагаемого при малых Е , когда мы имеем дело с линейной оптикой, в выражении для р появляется нелинейное относительно Е слагаемое (“ нелинейная ” оптика). В результате при распространении в среде волны “накачки” с частотой ν 0 и волновым вектором (где – показатель преломления среды), появляется новая волна – вторая оптическая гармоника с частотой и волновым вектором, а также ряд гармоник высших порядков. Очевидно, что энергия волны накачки с частотой будет наиболее эффективно перекачиваться в новую волну с частотой, если скорости распространения этих двух волн будут одинаковы, т.е. если имеет место т.наз. : . Выполнить это условие можно используя кристалл с двулучепреломлением, когда две волны распространяются под некоторым углом к его главной оптической оси.

При распространении в кристалле двух волн с частотами и и волновыми векторами и, кроме гармоник каждой из волн, в кристалле генерируется волна с суммарной частотой: , и волна с разностной частотой. Условие волнового синхронизма при этом имеет вид: .

Описанные явления в определённом смысле можно рассматривать как генерацию гармоник при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

3.4. Перестраиваемые лазеры на красителях . Лазеры на растворах сложных органических соединений (в т. ч. красителей: родаминов, кумаринов, оксазолов и др.) в спиртах, ацетоне и других растворителях, относятся к группе жидкостных лазеров. Такие растворы обладают интенсивными полосами поглощения при ОН и излучения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Основное их достоинство – широкая линия люминесценции (до 50…100нм), что даёт возможность плавно перестраивать рабочую частоту лазера в пределах этой линии.

Электронные состояния большинства красителей, используемых в таких лазерах, представляют собой широкие, до 0,1эВ, сплошные зоны энергии, получающиеся как результат сложения сотен “перекрывающихся” колебательных и вращательных подуровней, что приводит и к широким, как правило, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции, как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями (рис. 8,а). Между подуровнями “внутри” этих зон имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w ~10 10 …10 12 c –1 , а вероятности релаксационных переходов между электронными состояниями – на два-четыре порядка меньше (~10 8 c –1 ).

Генерация происходит по “четырёхуровневой” схеме на переходах молекулы красителя с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого синглетного электронного состояния S 1 (рис. 8,а), аналогах уровня «2» на диаграмме рис. 4 – на верхние подуровни основного электронного состояния S 0 , аналогах уровня «1». Аналогом уровня «0» являются нижние подуровни основного электронного терма, а аналогом вспомогательного уровня «3» – верхние колебательные подуровни возбужденного электронного терма S 1 .

Поскольку внутри электронных термов имеют место быстрые переходы, то распределение населённости состояний отвечает закону Больцмана: верхние под-уровни «3» и «1» являются слабо заселёнными, а нижние «0» и «2» – сильно заселёнными. Такое соотношение для уровней «0» и «3» определяет для них высокую эффективность ОН по каналу «0»→«3», а соотношение для уровней «2» и «1» –инверсию населённостей, усиление и генерацию на этом переходе.

Для получения узкой линии генерации, а также для возможности перестройки её по частоте в пределах широкой полосы люминесценции молекул красителя используют дисперсионный резонатор со спектрально-селектирующими элементами (призмами, дифракционными решётками, интерферометрами и др. (рис. 8,б).

Возможность перестройки по длине волны в пределах линии люминесценции (рис. 8, в ) без потери мощности определяется быстрыми безызлучательными переходами внутри электронных термов «2» и «1», вероятность которых превышает вероятность индуцированных переходов. Так, при настройке резонатора на какую-либо длину волны в пределах линии люминесценции перехода «2»→«1» возникает лазерное излучение на переходе между соответствующими подуровнями «2 ʹ » и «1 ʹ », в результате подуровень «2 ʹ » индуцированными переходами “очищается”, а «1 ʹ » – дополнительно заселяется. Однако за счёт ОН и быстрых переходов с соседних подуровней внутри терма населённость “генерирующего” подуровня «2 ʹ » непрерывно восстанавливается. Одновременно подуровень «1 ʹ » быстрыми переходами непрерывно очищается, релаксируя в конечном итоге в состояние «0». Таким образом, вся накачка верхнего электронного терма «2» становится накачкой перехода «2 ʹ »→«1 ʹ » и превращается в узкополосное монохроматическое лазерное излучение на частоте настройки дисперсионного резонатора, и эту частоту можно варьировать.

Помимо излучательных переходов S 1 → S 0 («2»→«1») существует и ряд переходов, снижающих эффективность генерации. Это переходы: S 1 → Т 1 , снижающие населённость уровней «2 ʹ », переходы Т 1 →«1», увеличивающие населённость уровней «1 ʹ », и переходы Т 1 → Т 2 , поглощающие лазерное излучение.

Лазеры на красителях бывают двух типов: с некогерентной (ламповой) оптической накачкой излучением импульсных ламп и импульсным режимом работы; а также с когерентной накачкой излучением лазеров других типов (газовых или твёрдотельных) при непрерывном, квазинепрерывном или импульсном режиме работы. Если в лазере применить смену красителей, а их известно больше тысячи, то таким способом можно “перекрыть” излучением всю видимую и часть ИК области спектра (0,33…1,8мкм). В лазерах с когерентной накачкой для получения непрерывного режима в качестве источников накачки используются ионные Ar - или Kr -газовые лазеры. Для накачки красителей в импульсном режиме применяют газовые лазеры на N 2 , парах меди, эксимерах, а также лазеры на рубине и неодиме с умножением частоты. Часто приходится использовать прокачку раствора красителя, благодаря чему из активной зоны выводятся молекулы, подвергшиеся диссоциации под действием излучения накачки, и вводятся свежие.

Лазеры на красителях, имея Δ ν неодн ~10 13 Гц и М>10 4 , позволяют в режиме пассивной синхронизации мод (см., раздел 3.3) осуществить генерацию ультракоротких импульсов излучения (τ~10 14 …10 13 c ).

Особую группу составляют лазеры на красителях с распределённой обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора играет структура с периодически изменяющимся показателем преломления и (или) усиления. Обычно она создается в активной среде под действием двух интерферирующих пучков накачки. РОС-лазер характеризуется узкой линией генерации (~10 2 см 1 ), которая может перестраиваться в пределах полосы усиления путём изменения угла между пучками накачки.

Среди сфер применений лазеров на красителях: фотохимия, селективная накачка квантовых состояний в спектроскопии, при разделении изотопов и др.

3.5 Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном . Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает и твёрдотельный лазер на кристалле корунда, активированного титаном (Al 2 O 3 : Ti 3+ ), называемом сапфиром .

Каждое электронное состояние Ti 3+ , состоит из большого числа «перекрывающихся» колебательных подуровней, что приводит к еще более широким, чем у красителя, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями. Внутри этих состояний имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w ~10 9 c 1 , при том, что вероятности релаксации между электронными состояниями имеют порядок 10 5 …10 6 c 1 .

Лазер на сапфире относится к группе т.наз. вибронных лазеров, отличающихся тем, что их основной электронный терм представляет собой полосу из колебательных подуровней (кристаллической решётки), благодаря чему лазер работает по четырёхуровневой схеме, и подобно лазеру на красителе создаёт возможность плавной перестройки генерации в диапазоне λ660…1180 нм. Полоса поглощения простирается от λ0,49мкм до λ0,54мкм. Малое время жизни возбужденного состояния «2» Ti 3+ делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера, которая, как правило, осуществляется непрерывным аргоновым лазером (λ488нм и λ514,5нм), второй гармоникой неодимового лазера (λ530нм) или импульсами излучения лазера на парах меди (λ510нм).

Несомненными достоинствами сапфирового лазера с титаном являются гораздо более высокая допустимая мощность накачки без деградации рабочего вещества и более широкая неоднородно уширенная линия люминесценции. В результате в режиме синхронизации мод получена последовательность импульсов с длительностью порядка десятков фемтосекунд (1фс=10 15 с), а с последующей компрессией (сжатием) импульсов в нелинейных волоконных световодах–до 0,6 фс.

3.6. Перестраиваемые лазеры на центрах окраски . Такие лазеры, как и рассмотренные выше твёрдотельные лазеры, в качестве активного вещества используют ионные кристаллы, но с центрами окраски, называемыми F - центрами , что позволяет осуществлять перестройку их излучения. Лазерные материалы для таких лазеров: кристаллы фторидов и хлоридов щелочных металлов (Li , Na , К, Rb ), а также фторидов Ca и Sr . Воздействие на них ионизирующих излучений: гамма-квантов, электронов высоких энергий, рентгеновского и жесткого УФ излучений, а также прокаливание кристаллов в парах щелочных металлов приводит к возникновению точечных дефектов кристаллической решётки, локализующих на себе электроны или дырки. Вакансия, захватившая электрон, образует дефект, электронная структура которого подобна структуре атома водорода. Такой центр окраски имеет полосы поглощения в видимой и УФ областях спектра.

Схема генерации лазера на центрах окраски аналогична схемам жидкостных лазеров на органических красителях. Впервые генерация вынужденного излучения на центрах окраски была получена в кристаллах К Cl - Li при импульсной оптической накачке. На данный момент генерация наблюдалась на большом числе различных центров окраски с ИКизлучением в импульсном и непрерывном режимах с когерентной ОН. Перестройка частоты излучения осуществляется с помощью дисперсионных элементов (призм, дифракционных решёток и др.), помещаемых в резонатор. Однако плохие термо- и фотостабильность препятствуют широкому применению таких лазеров.

3.7. Волоконные лазеры . Волоконными называют лазеры, резонатор которых построен на базе оптического волокна-волновода, являющегося и активной средой лазера, в котором генерируется излучение (рис. 9). Используется кварцевое волокно, легированное редкоземельными элементами (Nd , Ho , Er , Tm , Yb и др.), или пассивное волокно с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В последнем случае оптический резонатор образует световод в сочетании с “брэгговскими” решётками показателя преломления, “встроенными” в волокно. Такие лазеры называют волоконными “ рамановскими ” лазерами. Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна и поэтому резонатор волоконного лазера отличается простотой и не требует юстировки. В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов.

4. Параметрическая генерация света

Параметрическая генерация света (ПГС) осуществляется под действием лазерного оптического излучения накачки в твёрдых телах-кристаллах, обладающих нелинейными свойствами, и характеризуется достаточно высоким коэффициентом преобразования (десятки процентов). При этом удаётся плавно перестраивать частоту выходного излучения. В определённом смысле ПГС, как и рассмотренное выше явление умножения и сложения частот, можно рассматривать как генерацию перестраиваемого излучения при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

В основе явления ПГС, как и при умножении и сложении частот лежат нелинейно-оптические явления в средах. Рассмотрим случай, когда со средой, обладающей нелинейными свойствами и находящейся в открытом оптическом резонаторе (ООР), взаимодействует лазерное излучение достаточно высокой интенсивности, имеющее частоту ν 0 (накачка). За счёт накачки энергией этой волны в среде могут возникать две новые световые волны:

1) волна “шумовой” природы с некоторой частотой ν 1 ;

2) волна с разностной частотой (ν 0 – ν 1 ), которая является результатом нелинейного взаимодействия излучения накачки и случайного (шумового) волны с частотой ν 1 .

Причём частоты ν 1 и (ν 0 – ν 1 ) должны быть собственными частотами ООР и для всех трёх волн должно выполняться условие волнового синхронизма : . Другими словами, световая волна накачки с частотой ν 0 с помощью вспомогательной шумовой волны с частотой ν 1 , преобразуется в волну с частотой (ν 0 – ν 1 ).

Перестройка частоты излучения ПГС осуществляется путём подбором ориентации двулучепреломляющего нелинейного кристалла путём его вращения, т.е. изменения угла между его оптической осью и осью резонатора для того, чтобы выполнялось условие волнового синхронизма . Каждому значению угла отвечает строго определённая комбинация частот ν 1 и (ν 0 – ν 1 ), для которых в данный момент выполняется условие волнового синхронизма.

Для реализации ПГС могут использоваться две схемы:

1) “двухрезонаторная” схема, когда генерируемые волны с частотами ν 1 и (ν 0 – ν 1 ) возникают в одном ООР, при этом потери ООР для них должны быть малы;

2) “однорезонаторная” схема, когда в ООР генерируется только одна волна с частотой (ν 0 – ν 1 ).

В качестве активной среды может использоваться кристалл LiNbO 3 (ниобат лития), накачиваемый излучением второй гармоники ИАГ: Nd 3+ (λ0,53мкм) и плавную перестройку можно осуществлять в диапазоне до λ3,5мкм в пределах 10%. Набор оптических кристаллов с различными областями нелинейности и прозрачности позволяет осуществлять перестройку в ИК области до 16 мкм.

5. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковыми называют такие твёрдотельные лазеры, в которых в качестве активной среды (рабочего вещества) используются кристаллы полупроводников различного состава с инверсией населенностей на квантовом переходе. Решающий вклад в создание и усовершенствование таких лазеров внесли наши соотечественники Н.Г.Басов, Ж.И.Алфёров и их сотрудники.

5.1. Принцип действия . В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твёрдотельных), используются излучательные переходы не между изолированными энергетическими уровнями атомов, молекул и ионов, не взаимодействующих или слабо взаимодействующих между собой, а между разрешёнными энергетическими зонами кристалла. Излучение (люминесценция) и генерация вынужденного излучения в полупроводниках обусловлена квантовыми переходами электронов как между энергетическими уровнями зоны проводимости и валентной зоны, так и между уровнями этих зон и примесными уровнями: переходы донорный уровень–акцепторный уровень, зона проводимости – акцепторный уровень, донорный уровень – валентная зона, в том числе и через экситонные состояния. Каждой энергетической зоне соответствует очень большое (~10 23 …10 24 ) число разрешённых состояний. Поскольку электроны относятся к фермионам; то, например, валентная зона может быть полностью или частично заполнена электронами: с плотностью, убывающей снизу вверх по шкале энергий – подобно распределению Больцмана в атомах.

В основе излучения полупроводников лежит явление электролюминесценции . Фотон испускается в результате акта рекомбинации носителей заряда–электрона и “дырки” (электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне), при этом длина волны излучения определяется шириной запрещённой зоны . Если создать такие условия, что электрон и дырка перед рекомбинацией будут находиться в одной области пространства достаточно долгое время, и в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон с частотой, находящейся в резонансе с частотой квантового перехода, то он может индуцировать процесс рекомбинации с испусканием второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками, что и у первого фотона. Например, в собственных (“чистых”, “безпримесных”) полупроводниках, существует заполненная валентная зона и практически свободная зона проводимости. При межзонных переходах для возникновения инверсии и получения генерации необходимо создать избыточные неравновесные концентрации носителей заряда: в зоне проводимости – электронов, а в валентной зоне –дырок. При этом интервал между квазиуровнями Ферми должен превышать ширину запрещённой зоны, т.е. один или оба квазиуровня Ферми будут находиться внутри разрешённых зон на расстояниях не более kT от их границ. А это предполагает возбуждение такой интенсивности, чтобы было создано вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

Первые полупроводниковые лазеры использовали арсенид галлия (GaAs), работали в импульсном режиме, излучали в ИК диапазоне и требовали интенсивного охлаждения. Дальнейшие исследования позволили внести много существенных улучшений в физику и технику лазеров такого типа, и в настоящее время они излучают и в видимом, и в УФ диапазонах.

Вырождение полупроводника достигается путём его сильного легирования при высокой концентрации примеси, такой, что проявляются в основном свойства примеси, а не свойства собственного полупроводника. Каждый атом донорной примеси отдаёт в зону проводимости кристалла один из своих электронов. Напротив, атом акцепторной примеси захватывает один электрон, который был обобществлен кристаллом и находился в валентной зоне. Вырожденный n полупроводник получается, например, при внесении в GaAs примеси теллура (концентрация 3...5·10 18 см 3 ), а вырожденный p полупроводник – примеси цинка (концентрация 10 19 см 3 ). Генерация осуществляется на ИК длинах волн от 0,82 мкм до 0,9 мкм. Распространены и структуры, выращенные на подложках InP (ИК область λ1…3 мкм).

Полупроводниковый кристалл простейшего лазерного диода, работающего на “гомопереходе” (рис. 10), имеет вид очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом , где распространяется излучение. Верхний слой кристалла легируется для создания p области, а в нижнем слое создаётся n область. В результате получается плоский p n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла скалывают и полируют для образования гладких параллельных отражающих плоскостей, которые образуют открытый оптический резонатор -интерферометр Фабри-Перо . Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный в плоскости p n перехода перпендикулярно отражателям, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденные рекомбинационные переходы, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, т.е. излучение будет усиливаться, начнётся генерация. При этом лазерный луч будет формироваться за счёт неоднократного прохода по оптическому волноводу и отражения от торцов.

Важнейшим видом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекционная накачка. При этом активными частицами служат свободные носители заряда – избыточные неравновесные электроны проводимости и дырки, которые инжектируются в p-n -переход (активную среду), при пропускании через него электрического тока в “прямом” направлении при “прямом” смещении, уменьшающем высоту потенциального барьера. Это позволяет осуществить непосредственное преобразование электрической энергии (тока) в когерентное излучение.

Другими способами накачки служат электрический пробой (в т. наз. стримерных лазерах), накачка пучком электронов и оптическая накачка.

5.2. ДГС-лазеры . Если расположить слой с более узкой запрещённой зоной (активная область) между двумя слоями с более широкой запрещённой зоной, будет создана т.наз. гетероструктура . Лазер, её использующий, называют лазером на двойной гетероструктуре (ДГС-лазер, или “ double heterostructure ”, DHS - laser ). Такая структура образуется при соединении арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). Достоинство таких лазеров состоит в малой толщине среднего слоя – активной области, где локализуются электроны и дырки: свет дополнительно отражается от гетеропереходов, и излучение будет заключено в области максимального усиления.

Если с двух сторон кристалла ДГС-лазера добавить ещё два слоя с меньшим показателем преломления по сравнению с центральными, то образуется напоминающая световод структура, более эффективно удерживающая излучение (ДГС-лазер с раздельным удержанием , или “ separate confinement heterostructure ”, SCH S - laser ). Большинство лазеров, произведённых в последние десятилетия, изготовлены именно по такой технологии. Развитие современной оптоэлектроники, солнечной энергетики происходит на основе квантовых гетероструктур: в т.ч. с квантовыми “ямами”, квантовыми “точками”.

5.3. РОС- и ВРПИ-лазеры . В лазерах с распределённой обратной связью (РОС или “ distributed feedback ”– DFB laser ) в районе p - n перехода наносится система поперечных рельефных “штрихов”, образующих дифракционную решётку . Благодаря этой решётке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор, и на ней происходит генерация, т.е. осуществляется стабилизация длины волны излучения (лазеры для многочастотной волоконно-оптической связи).

Полупроводниковый “торцевой” лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла и называемый лазером “с вертикальным резонатором и поверхностным излучением” (ВРПИ-лазер, или “ vertical cavity surface - emitting ”: VCSE laser ), имеет симметричную диаграмму направленности излучения с малым углом расходимости.

В активной среде полупроводникового лазера может достигаться очень большое усиление (до 10 4 см -1 ), благодаря чему размеры активного элемента П. л. лазера исключительно малы (длина резонатора–50 мкм…1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: простота управления интенсивностью путём изменения величины тока, малая инерционность (~10 9 с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне от УФ, видимого до среднего ИК. В то же время по сравнению с газовыми лазерами полупроводниковые отличаются относительно низкой степенью монохроматичности и когерентности излучения и не могут излучать на разных длинах волн одновременно. Полупроводниковые лазеры могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми (с большой шириной активной зоны). Многомодовые лазеры применяются в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие малой расходимости луча. Областями применений полупроводниковых лазеров являются: устройства обработки информации-сканеры, принтеры, оптические запоминающие устройства и др., измерительные устройства, накачка других лазеров, лазерные целеуказатели, волоконная оптика и техника.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике М.: Наука, 1988. 2-е изд., -336с.
2. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984, -395с.; 3-е изд. 1990, 560с.; 4-е изд. 1998, -540с.
3. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. -573с.
4. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд.МГУ, 2004. 2-е изд.- 656с.
5. Малышев В.А. Физические основы лазерной техники. М.: Высшая школа, 200 -543с.
6. Тарасов Л. В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981, -440с.
7. Яковленко С.И., Евтушенко Г.С. Физические основы квантовой электроники. Томск: Изд. ТГУ, 2006. -363с.
8. Иванов И.Г., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Ионные лазеры на парах металлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -256с.
9. Физическая энциклопедия. В 5 т. М.: «Российская энциклопедия». 1988-1998.
10. Иванов И.Г. Газовый разряд и его применение в фотонике. Учебное пособие. Ростов н/Д: Изд. ЮФУ, 2009. -96с.
11. Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Энциклопедия, 1991. -688с.
12. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. СПб.: Политехника, 1993. -216с.; Голикова Е.В., Привалов В.Е. Расчет линий поглощения для лазеров, стабилизированных по реперам йода. Препринт №53. С-Пб.: Институт Аналитического приборостроения РАН. 1992. -47c.
13. Калашников С.Г. Электричество. –М.: Физматлит. 2003. -624с.
14. Физическая энциклопедия // Химический лазер. URL : http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
15. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. Введение в новую область лазерной физики. – М.: Физматлит. 2008. -208 с .
16. Yanovsky V. et al. Optics Express. 2008. Vol. 16. N3, P.2109 - 2114 .

Лазер без преувеличения можно назвать одним из важнейших открытий XX века.

Что такое лазер

Говоря простыми словами, лазер - это устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Название «лазер» (laser ) образовано путём сложения первых букв слов, составляющих английское выражение l ighta mplification bys timulatede mission ofr adiation , что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.

Обычный свет рассевается от источника по разным направлениям. Чтобы собрать его в пучок, используют различные оптические линзы или вогнутые зеркала. И хотя таким световым лучом можно даже разжечь огонь, его энергию невозможно сравнить с энергией лазерного луча.

Принцип работы лазера

В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения . В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?

В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным , а все другие состояния - возбуждёнными . Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением .

Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным .

Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.

Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости .

Как устроен лазер

В конструкцию лазера входят 3 элемента:

1. Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.

2. Рабочее тело лазера.

3. Система зеркал, или оптический резонатор.

Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача - «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера . Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.

Рабочим телом , или лазерными материалами , называют вещества, выполняющие функции активной среды . Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?

В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов - в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости . Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.

В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.

Рабочее тело помещается в оптический резонатор . Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.

Кроме того, в лазерах используют и другие устройства - зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.

Когда изобрели лазер

В 1964 г. русские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов, а также американский физик Чарлз Хард Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им за открытие принципа работы квантового генератора на аммиаке (мазера), которое они сделали независимо друг от друга.

Александр Михайлович Прохоров

Николай Геннадиевич Басов

Нужно сказать, что мазер был создан за 10 лет до этого события, в 1954 г. Он излучал когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона и стал прообразом лазера.

Автор первого рабочего оптического лазера - американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 г. он впервые получил красный лазерный луч, вышедший из красного рубинового стержня. Длина волны этого излучения составляла 694 нанометра.

Теодор Майман

Современные лазеры имеют разные размеры, от микроскопических полупроводниковых, до громадных, размером с футбольное поле, неодимовых лазеров.

Применение лазеров

Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.

В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.

С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).

Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.

Появление лазеров в медицине изменило многое.

Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.

В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.