Лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и
ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и
молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов
английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»,
что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В
советской литературе употребляется также термин «оптический квантовый
генератор» (ОКГ). Создание Л. (1960) и несколько ранее мазеров (1955)
послужило основой развития нового направления в физике и технике,
называется квантовой электроникой. В 1964 советским физикам Н. Г. Басову,
А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за работы в области
квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике.
Лазер — источник света. По сравнению с другими источниками света Л.
обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой
направленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источников света не
имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется
его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения,
достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7Ч10-12ЧT4 вт/см2. Мощность
излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма
больших величин. Так, каждый 1 см2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает
мощность W = 6,4Ч103 вт. Однако излучение теплового источника
распространяется по всем направлениям от источника, т. е. заполняет
телесный угол 2p рад. Формирование направленного пучка от такого источника,
осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих
из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая
система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность
излучения большую, чем в самом источнике света.
Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет
широкий интервал длин волн (рис. 1). Например, спектр излучения Солнца
захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн.
Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры,
позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или
используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие
дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность
излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности
излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре
возбуждения атомов и молекул (рис. 1). Т. о., в обоих случаях
монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем
уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.
[pic]
Рис. 1.
Иная картина имеет место в радиодиапазоне. Источники радиоволн способны
формировать направленное и монохроматическое излучение большой мощности.
Различие между источниками радиоволн и долазерными источниками света носит
принципиальный характер. Антенны — излучатели радиоволн, питаемые от общего
генератора электрических колебаний, можно возбудить когерентно.
Элементарными излучателями световых волн являются атомы и молекулы.
Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект
излучения громадной совокупности атомов и молекул, причём все они излучают
совершенно независимо друг от друга — некогерентно. Некогерентность
излучения атомов связана с независимостью, случайностью элементарных актов
возбуждения атомов и их хаотичным распределением в пространстве. Основной
причиной возбуждения атомов в нагретых телах и в газовом разряде являются
столкновения. Моменты столкновений случайным образом распределены во
времени, что и приводит к хаотичному распределению фаз волн, излучаемых
отдельными атомами, т. е. к некогерентности их излучения.
Задача создания источника когерентного света была решена лишь с появлением
Л., в котором используется принципиально иной метод высвечивания
возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер
возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень
малой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с
интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и
угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в
миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых
источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с
помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в
ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность
и направленность излучения открывают принципиально новые возможности
использования световых пучков там, где нелазерные источники света
неприменимы.
Принцип работы лазера. Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно)
перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант
света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в
результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное
излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного
испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в
среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух
энергетических уровней E1, E2 атомов или молекул среды (hn = E2 — E1, где h
— постоянная Планка), к спонтанному испусканию частиц добавляются др.
радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне
E1, в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на
уровень E2 (рис. 2, а). Число таких переходов пропорционально r (n) N1, где
r (n) — спектральная плотность излучения в эрг/см3, N1 — концентрация
атомов, находящихся на уровне E1 (населённость уровня). Атомы, находящиеся
на верхнем энергетическом уровне E2, под действием квантов hn вынужденно
переходят на уровень E1 (рис. 2, б). Число таких переходов пропорционально
r (n) N2, где N2 — концентрация атомов на уровне E2. В результате переходов
E1 > E2 волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E2 >
E1 световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой
волны определяется разностью (N2 — N1). В условиях термодинамического
равновесия населённость нижнего уровня N1 всегда больше населённости
верхнего N2. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е.
имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях
оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия
населённостей уровней E1 и E2, при которой N2 > N1. При этом вынужденные
переходы E2 > E1 преобладают и поставляют в световую волну больше энергии,
чем теряется в результате переходов E1 > E2. Световая волна в этом случае
не ослабляется, а усиливается.
[pic]
Рис. 2
Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E2 > E1 волны по
частоте n, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны
первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того,
каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E 2. Именно
когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в
среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению
новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E1, E2,
способную усиливать излучение частоты n = (E2 — E1)/h, обычно называют
активной.
[pic]
Рис. 3: Усиление световой волны атомами активной среды
Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т. е.
атома, находящегося на уровне E2), прежде чем оно выйдет из объёма V, может
вызвать вынужденные переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого
усилится (рис. 3). Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого
волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в
простейший оптический резонатор, т. е. между двумя параллельными
полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от
друга, как в интерферометре Фабри — Перо (рис. 4), то в наиболее
благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси
интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и
пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от
второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волны
увеличивается в ekL раз, где k — коэффициент усиления в см-1, L — длина
пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь,
испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет
усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии r (n) в волне не
достигнет некоторого предельного значения. Рост r (n) прекращается, когда
выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная r
(n), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение
атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а
сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.
[pic]
Рис. 4: Активная среда в интерферометре Фабри - Перо
Интерферометр Фабри — Перо, заполненный активной средой с достаточно
большим коэффициентом усиления, представляет собой простейший Л. В Л.
используются оптические резонаторы и др. типов — с плоскими зеркалами,
сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый
резонатор). В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Л.,
могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний
электромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модами
резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным
распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами (рис. 4)
преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским
волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет
получать излучение высокой направленности. Телесный угол DW, в котором
сосредоточен поток излучения, может быть сделан [pic], где D — диаметр
зеркал. Для l » 1 мкм и D = 1 см величина [pic] » 10-8 (для тепловых
источников DW ~ 2p).
Оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав
излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с
частотами [pic], где с — скорость света, n — целое число. В результате
спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких
спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число
линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды,
т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и
может достигать нескольких десятков и сотен (рис. 5). При определённых
условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е.
осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из
компонент dnл определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую
очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина dnл
может быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий
спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме
характеризуется высокой монохроматичностью.
[pic]
Рис. 5: Моды оптического резонатора
Существующие Л. различаются:
1) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят,
способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом,
химическая накачка и т.п.
2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости);
3) конструкцией резонатора;
4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия
определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно
различные требования к характеристикам Л.
Методы создания инверсии населённости. Для создания активной Среды
необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее
преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из
наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки,
который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой
кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих
атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине показаны на рис. 6. Поглощение
света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы
Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие
полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10-8 сек) осуществляется
безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и [pic]. Избыток энергии
при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов
Cr3+ на уровнях E 2 и [pic]составляет 10-3 сек. Только по истечении этого
времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1. Переходам E2> E1 и
[pic]> E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать
кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой
интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то
происходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и [pic]и возникает инверсия
населённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E1. Это позволило
создать Л., работающий на переходах E2> E1 и [pic]> E1, генерирующий свет с
длиной волны l » 0,7 мкм.
[pic]
Рис. 6: Уровни энергии кристалла рубина (структура)
Для создания инверсии населённостей уровней E2, [pic]относительно E1
необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ на уровни E2, [pic]за
время, не превышающее 10-3 сек. Это предъявляет большие требования к
мощности источника накачки. В качестве таких источников используются
импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3
сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько
дж.
Метод оптической накачки обладает несколькими преимуществами. Во-первых, он
применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц (твёрдые тела,
жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Так, в
рубине в основном поглощается только та часть спектра излучения ламп
накачки, которая ответственна за возбуждение ионов Cr3+. Всё остальное
излучение попадает в область прозрачности и поглощается относительно слабо.
Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицу объёма рабочего
вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверсной
населённостей уровней, в основном определяется особенностями используемой
системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубине
теряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственных
колебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов
(рис. 6, волнистые стрелки). Уменьшение паразитных потерь энергии
существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельная энергия
импульса генерации в твердотельных Л. достигает нескольких дж от каждого
см3 вещества. Примерно столько же энергии остаётся в рабочем веществе. Для
одноатомного газа при атмосферном давлении энергия в 1 дж соответствует
температуре 10000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большой
теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагрев на десятки градусов.
Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд. Отношение энергии
импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки в лучшем случае
не превышает нескольких % из-за неполного использования спектра ламп
накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрической энергии
в световую в самих лампах.
Большое распространение получил метод создания активной среды
непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности
получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии
ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию
населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот
метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные
атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы
электрических разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать
Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Кроме того, возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать
непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрической
энергии в энергию излучения Л.
В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси
молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением ряда др. компонентов) механизм
образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны
газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, при столкновениях
возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновений
возбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного из
колебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсии
населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и
кпд достигает 20—30%.
В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси
CO2 и N2, в котором газовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К,
формируется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и
тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает
инверсия населённостей рабочих уровней CO2. Кпд преобразования тепловой
энергии в излучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее
газодинамические Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае
облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-
вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит
менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива
(например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время
как электрическая энергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы
вспышки, — порядка 0,1 дж на 1 см3 объёма конденсатора.
Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким
накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии
химических связей для возбуждения частиц, т. е. создание активной среды Л.
в результате химических реакций. Примером химической накачки является
реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л. образом
диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F +
H2 > HF + H, H + F2 > HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате
этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых
переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси
добавить CO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также
создать Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые
молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на
CO2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой
смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного
излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в
импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты
химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.
В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными
способами:
1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;
2) возбуждением электронным ударом;
3) оптическим возбуждением
Твердотельные лазеры. Существует большое количество твердотельных Л., как
импульсных, так и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных
получили Л. на рубине и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd).
Неодимовый Л. работает на длине волны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным
изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни
длиной до 100 см и диаметром 4—5 см. Один такой стержень способен дать
импульс генерации с энергией 1000 дж за время ~ 10-3 сек.
Л. на рубине, наряду с Л. на неодимовом стекле, являются наиболее мощными
импульсными Л. Полная энергия импульса генерации достигает сотен дж при
длительности импульса 10-3 сек. Оказалось также возможным реализовать режим
генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких кгц).
Примером твердотельных Л. непрерывного действия являются Л. на флюорите
кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и Л. на иттриево-алюминиевом гранате
Y3Al5O12 с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких Л.
работает в области длин волн l от 1 до 3 мкм. Возможность реализации
непрерывного режима в этих Л. обычно связана с тем, что нижним уровнем
рабочего перехода является не основной уровень E1, а возбуждённый уровень
E2 (рис. 7). Если уровень E2 достаточно далеко отстоит по энергии от
основного уровня E1 (по сравнению с кТ, где к — постоянная Больцмана, Т —
температура) и характеризуется достаточно малым временем жизни, то инверсия
населённостей для уровней E2, E3 может быть создана с помощью сравнительно
маломощных источников оптической накачки. У некоторых из таких Л. генерация
осуществлена при накачке солнечным светом. Типичное значение мощности
генерации твердотельных Л. в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для Л.
на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт. Если не принимать
специальных мер, то спектр генерации твердотельных Л. сравнительно широк,
т.к. обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в
оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую
генерацию. Как правило, это связано со значительным уменьшением
генерируемой мощности.
[pic]
Рис. 7: Уровни активной cреды твердотельного лазера непрерывного действия
(схема)
Трудности выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов
однородного и прозрачного стекла привели к созданию жидкостных Л., в
которых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не в кристаллы, а
в жидкость. Однако жидкостные Л. имеют недостатки и поэтому применяются не
столь широко, как твердотельные Л
Генерация коротких и сверхкоротких импульсов. Если для накачки
твердотельного Л. используется лампа-вспышка с длительностью импульса Dtn ~
10-3 сек, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое
запаздывание начала генерации по сравнению с лампой-вспышкой обусловлено
тем, что для развития генерации необходимо превысить некоторое пороговое
значение инверсии населённостей, после чего усиление за один проход
рабочего объёма начинает превышать суммарные потери энергии за счёт
отражения луча от зеркал резонатора, паразитного поглощения и рассеяния
света. При достаточно больших мощностях накачки порог генерации достигается
за время t << tн. Такой режим работы Л., когда длительность лазерного
импульса Dtл » Dtн, наз. режимом свободной генерации. Для ряда применений
важно сократить длительность импульса Dtл, т.к. при заданной энергии
импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С
этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется
добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят
оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это
осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При
закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе
в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро
открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть
высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого
лазерного импульса Dtл определяется или скоростью открывания затвора или,
если эта скорость достаточно велика, временем установления
электромагнитного поля в резонаторе.
Применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся
зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса, управляемые электрическим
сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы
длительностью Dtл ~ 10-7 — 10-8 сек. Полная энергия импульса в режиме
модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной
генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения Dtл
достигает нескольких порядков.
Новые возможности сокращения длительности импульса Л. открыло применение в
качестве затворов просветляющихся фильтров. Таким фильтром обычно служит
слабый раствор красителя, причём концентрация поглощающей компоненты
подбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света
достигалось насыщение, при этом раствор становится прозрачным
(просветляется). Введение в резонатор такого фильтра повышает порог
генерации: при включении накачки в рабочем объёме начинают накапливаться
возбуждённые частицы; растет также и интенсивность их спонтанного
излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход
рабочего объёма) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует
развитию генерации. Но как только достигается уровень просветления, затвор
автоматически выключается, и уже ничто не препятствует развитию генерации.
Применение просветляющихся фильтров позволило получить гигантские импульсы
света длительностью до 10-9 сек, с энергией ~ десятков дж, что
соответствует мощности ~ 1010 вт.
Если обеспечивается одномодовой режим генерации, то наблюдается единый, не
имеющий структуры гигантский импульс. В остальных случаях
|
