Какую роль играет устройство накачки лазера. Мир современных материалов - принципы работы лазера. Что такое лазер

На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

активной (рабочей) среды;

системы накачки (источник энергии);

оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества:твёрдое,жидкое,газообразное,плазма . В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана :

здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E , N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана,T - температурасреды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, чтофотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтомуэлектромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.Интенсивностьизлучения при этом падает позакону Бугера :

здесь I 0 - начальная интенсивность, I l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 - показатель поглощениявещества. Поскольку зависимостьэкспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону :

где a 2 - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе . Эти потери связаны с насыщениемметастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощениепримесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерахона осуществляется за счёт облучения мощнымигазоразрядными лампами-вспышками, сфокусированнымсолнечнымизлучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большиеплотности энергиинакачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачкаэлектрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачкахимических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачкаполупроводниковых лазеровпроисходит под действием сильного прямоготокачерезp-n переход, а также пучкомэлектронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретыхгазов;фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а - трёхуровневая и б - четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубинпредставляет собойкристаллкорундаAl 2 O 3 , легированныйнебольшим количествомионовхромаCr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического полякристаллической решёткикорунда внешний энергетический уровень хромаE 2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергиейE 0 в возбуждённое с энергией около E 2 . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E 1 , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E 0 на уровень E 1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодимаNd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E 2 и основным уровнем E 0 имеется промежуточный - рабочий уровень E 1 . Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E 2 и E 1 . Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E 2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E 1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η квантовое = hν излучения /hν накачки)

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.

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

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

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

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

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

Устройство лазера.

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

Лазеры как правило состоят из трех частей:

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

За что отвечает каждая из этих частей:

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

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

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

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

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

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

Для реализации генерации электромагнитных волн с использованием усилителя, как известно из радиофизики, необходимо завести выходной сигнал усилителя на его вход и образовать петлю обратной связи. В оптике такая обратная связь создается с использованием интерферометра Фабри-Перо, создающего резонатор. На рисунке 1.11. представлена принципиальная схема устройства лазера, состоящего из: 1) активной среды длиной L, 2) источника накачки, например, импульсной лампы, 3) двух зеркал с коэффициентами отражения R 1 и R 2 , образующими интерферометр Фабри-Перо.

Рис. 1.11. Принципиальная оптическая схема лазера

Для лазерной генерации необходимы три условия:

1. наличие активной среды с инверсной населенностью, 2. присутствие обратной связи, 3. превышение усиления над потерями

Лазерная генерация начнется тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем, усиление излучения за один проход в активной среде (т.е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно

ехр (1.12)

Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия

R1R2exp = 1 (1.13)

Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к критической. Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерной генерации.

1.4.1. Методы создания инверсной населённости.

До сих пор мы рассматривали двухуровневые системы, однако, в таких системах невозможна лазерная генерация. В состоянии термодинамического равновесия N 1 > N 2 , поэтому при воздействии электромагнитного поля число вынужденных переходов снизу вверх (1 -» 2) больше числа вынужденных переходов сверху вниз (2 -» 1): при этом населенность нижнего уровня убывает, а верхнего - растет. При достаточно большой объемной плотности энергии электромагнитного поляможет произойти выравнивание населенностей уровней, когда числа вынужденных переходов 1 -» 2 и 2 -» 1 равны, т.е. наступает динамическое равновесие. Явление выравнивания населенностей уровней называют насыщением перехода. Таким образом, при воздействии электромагнитного поля на двухуровневую систему можно добиться насыщения перехода, но не инверсии населенностей.

1.4.1. Трёхуровневая система.

На рисунке 1.12. изображена диаграмма, демонстрирующая работу, оптически накачиваемого, трёхуровневого лазера (например, рубинового). В исходном состоянии все атомы в лазерном веществе находятся на нижнем уровне 1. Накачка переводит атомы с нижнего уровня на уровень 3, состоящий из многих подуровней, образующих широкую полосу поглощения. Этот уровень позволяет использовать в качестве накачки источник с широким спектром излучения, например, импульсную лампу. Большинство возбуждённых атомов быстро переходят на средний уровень 2 без излучения. Но окончательно квантовая система возвращается на нижний уровень 1 с излучением фотона. Этот переход и является лазерным переходом.

Если интенсивность накачки меньше порога лазерной генерации, то излучение, сопровождающее переход атомов с уровня 2 на уровень 1, спонтанно. Когда интенсивность накачки превышает порог генерации, то излучение становится стимулированным. Это происходит, когда населённость уровня 2 превосходит населённость уровня 1. Этого можно добиться, если время жизни на уровне 2 будет больше, чем время релаксации с уровня 3 на уровень 2, т. е.

Рис. 1.12. Диаграмма энергетических уровней трёхуровневого лазера.

Число атомов N 3 на уровне Е 3 мало по сравнению с числом атомов на других уровнях, т.е.

(1.15)

Основная идея трёхуровневой системы состоит в том, что атомы эффективно накачиваются с уровня 1 на метастабильный уровень 2, быстро проходя уровень 3. И в этом случае система представляется как двухуровневая. Для генерации необходимо, чтобы населённость уровня 2 была больше, чем населённость уровня 1. Таким образом, в трёхуровневой системе для лазерной генерации необходимо, чтобы больше, чем половина атомов с нижнего энергетического уровня 1 была переведена на метастабильный уровень 2.

1.4.2. Четырёхуровневая система.

Четырёхуровневая лазерная система, по схеме которой работают большинство лазеров на стекле и кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов, представлена на рисунке 1.13.

Рис. 1.13. Диаграмма энергетических уровней четырёхуровневого лазера

Следует отметить, что в трёхуровневой системе лазерная генерация происходит между возбуждённым уровнем 2 и нижним уровнем 1, который всегда заселён. А в четырёхуровневой системе лазерный переход осуществляется на уровень 1, который находится выше нижнего уровня и который может быть совсем не заселён или заселён, но значительно меньше, чем самый нижний уровень. Таким образом, для создания инверсной заселенности достаточно возбудить небольшое число активных атомов, поскольку они практически сразу переходят на уровень 2. Т.е. порог генерации четырёхуровневой лазерной системе будет значительно ниже, чем в трёхуровневой.

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

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

б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;

в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;

г) легированные полупроводники;

д) свободные электроны.

Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов очень велико. В одном только элементе неоне наблюдается около 200 различных лазерных переходов. По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.

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

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

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