Лазерное излучение и его применение

--PAGE_BREAK--Рис. 1. Возникновение индуцированного (а) и спонтанного (б) излучений и поглощения (в) в рабочей среде: Е1 и Е2 – энергетические уровни атомов среды; пустые и закрашенные кружочки – атомы на нижнем и верхнем уровнях энергии; волнистыми линиями со стрелками изображены фотоны


Столкновения фотонов световой волны с атомами среды, находящимися на низших энергетических уровнях, может сопровождаться также поглощением фотона и переходом атомов в возбуждённое состояние с большей энергией, рис. 1в. При вынужденном излучении энергия воздействующей световой волны увеличивается, а при поглощении она уменьшается. Поэтому изменение интенсивности света, проходящего через среду, зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

Если бы рабочая среда лазера находилась в термодинамически равновесном состоянии, то распределение атомов по энергиям определялось бы статистикой Больцмана. Соответствующее распределение Больцмана, которое даёт число атомов N(Е), обладающих энергией Е, имеет вид

,       (1)                 
где Т – абсолютная температура, k– постоянная Больцмана, А – нормировочная константа, e= 2,718… – основание натуральных логарифмов. Число атомов N(Е), обладающих энергией Е, часто называют населённостью энергетического уровня Е.

Как видно из (1), населённость энергетических уровней уменьшается с ростом их энергии. Поэтому в термодинамически равновесной среде процессы поглощения фотонов из распространяющейся световой волны будут преобладать над процессами их индуцированного излучения, так что интенсивность прошедшего через среду света будет уменьшаться. Однако посредством внешнего воздействия, называемого накачкой, можно создать в среде так называемую инверсную населённость уровней, при которой некоторые уровни с большей энергией будут заселены атомами более плотно, чем уровни с меньшей энергией. Другими словами, инверсная населённость уровней означает, что N(Е2) > N(Е1) при Е2 > Е1.

Среда с инверсной населённостью уровней называется активной. Она термодинамически неравновесна и стремится перейти в равновесное состояние путем излучения избытка энергии. При пропускании света с частотой n= ΔЕ/hчерез такую активную среду в ней будет происходить как индуцированное излучение, если энергия фотонов hnсовпадает с разностью энергий DЕдвух инверсно населённых уровней (рис. 1а), так и поглощение энергии света (рис. 1в). Но так как N(Е2) > N(Е1), то число индуцированных переходов с испусканием фотонов становится больше поглощательных переходов, и энергия световой волны возрастает по сравнению с энергией исходной волны. Другими словами, происходит усиление света. На этом основан принцип действия лазеров.

Для усиления генерации света лазер снабжен также оптическим резонатором, рис. 2. Он создается двумя зеркалами, одно из которых имеет большой коэффициент отражения, а второе полупрозрачно. Зеркала обеспечивают многократное отражение и прохождение излучения через активную среду, что приводит к увеличению числа фотонов, испущенных возбуждёнными атомами, и усилению индуцированного когерентного излучения. В результате возникает лавина фотонов, движущихся вдоль оси резонатора и частично выходящих в виде узкого пучка света через полупрозрачное зеркало. Фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из активной среды, не испытав многократного отражения от зеркал.

Рис. 2. Схема формирования направленного излучения лазера с помощью резонатора: 1 и 2 – непрозрачное и полупрозрачное зеркала, 3 – активная среда. Сплошные стрелки показывают движение фотонов вдоль оси резонатора ОО, пунктирные – под углом к этой оси


Помимо отражательных свойств, оптический резонатор, подобно механическим резонаторам, например, трубам и декам музыкальных инструментов, обладает резонансными свойствами. Электромагнитные волны могут возбуждаться в нём эффективно только при условии, что их частоты совпадают с собственными частотами резонатора. Наиболее благоприятные условия для лазерной генерации возникают в том случае, когда частота n= ΔЕ/h, отвечающая квантовому переходу атомов активной среды, и одна из собственных частот резонатора совпадают. В этом случае в резонаторе создается стоячая световая волна, и при данной мощности накачки лазер излучает свет наибольшей интенсивности. При расстройке между указанными частотами генерируемая мощность уменьшается, а при большой расстройке генерация света может вовсе исчезнуть.

Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10-7 —10-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной.

Ячейка Керра— устройство, основанное на эффекте Керра — явлении возникновения под действием электрического поля в оптически изотропных средах двойного лучепреломления. Отличается высоким быстродействием (10 − 9 ÷ 10 − 12 секунды). Состоит из среды с Керровской нелинейностью (например CS2 — сероулеродом) помещённой между обкладок конденсатора. При прохождении мощного импульса электрического тока через ячейку оптические свойства среды меняются так, что свет меняет направление поляризации при прохождении ячейки

Применительно к лазерным технологиям используется термин гигантский импульс. Таковым называют импульс, обладающей очень большой энергией при сверхмалой длительности.

Сама по себе идея создания гигантского импульса проста при использовании оптического затвора — специального устройства, которое по сигналу может переходить из открытого состояния в закрытое и наоборот. В открытом состоянии затвор пропускает через себя лазерное излучение, в закрытом — поглощает или отклоняет его в другую сторону. При создании гигантского импульса затвор переводят в закрытое состояние еще до того, как начнется высвечивание энергии накачки. Затем, по мере поглощения энергии активные центры (атомы, участвующие в генерации) переходят в массовом порядке на долгоживущий верхний уровень. Генерация в лазере пока не осуществляется, ведь затвор закрыт. В результате на рассматриваемом уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров — создается очень сильная инверсная заселенность уровней. В определенный момент затвор переключают в открытое состояние. В некотором отношении это похоже на то, если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг неожиданно исчезла. Происходит быстрое и очень бурное высвечивание активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный лазерный импульс — гигантский импульс. Его длительность составляет 10-8 с., а максимальная мощность 108 Вт.
3. Классификация лазеров.

Принять различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазер­ное излучение, когда на его вход (а сам он уже находит­ся в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стиму­лирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Проис­ходит лавинообразное усиление. Таким образом — на входе слабое излучение, на выходе — усиленное.

С  генераторомдело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуж­дают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбуж­денном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких час­тиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к воз­никновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с фи­зическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми(например, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного, вещества исполь­зуется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излуче­ния (последние привлекают сейчас пристальное внима­ние зарубежных военных специалистов). Различают так­же лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спект­ральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излу­чением. Есть лазеры и со смешанным режимом рабо­ты, например полупроводниковые. Если излучение лазе­ра сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использова­нии понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощнос­ти в диапазоне Ю5...103Вт имеем лазеры средней мощ­ности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной доброт­ностью и ла­зеры с модулированной добротностью — у такого лазера одно из зеркал может быть размещено в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.
4. Характеристики лазерного излучения.

Одной   из   характеристик  лазеров  является   длинаволны  излучаемой  энергии. Диапазон волн лазерногоизлучения   простирается   от  рентгеновского   участка   до дальнего инфракрасного, т. е. от 10-3 до 102 мкм. За об­ластью 100 мкм лежит, образно говоря, «целина». Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непре­рывно сужается, и есть надежда, что его освоение завер­шится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на раз­личные типы генераторов, неодинакова. Наибо­лее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных гене­раторов — порядка 103 Дж. Третьей характеристикой яв­ляется мощность.Энергия в единицу времени и дает мощность. Газовые генераторы, которые излучают не­прерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на С02. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале времени в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длитель­ность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т. е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность состав­ляет 106 Вт, т. е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить его длительность до 10-9 с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, дости­гающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 — кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизи­ровать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в не­сколько угловых минут. Расходимость луча твердотель­ных лазеров около 1...3 угловых градусов. Полупровод­никовые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой — около 10...15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено из­лучение, т. е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т. е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, кото­рые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является
коэффициент полезного действия. У твердо­
тельных он составляет от 1 до 3,5%, У газовых 1…15%, у полупроводниковых 40...60%. Вместе с тем принима­ются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения ла­зеров до температуры 4...77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.
5. Виды лазеров.

5.1 Твердотельный лазер.

Функцио­нальная схема такого лазера приведена на рисунке:


                                                    

                                                            Блок поджига
                              Излучающая головка                                                                 Пульт управления

                                                                          

                                                                             

                                                                            Выпрямительный

                                              Блок конденсаторов                      блок

       
      Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока кон­денсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок кон­денсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпря­мительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденса­торы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напря­жение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещест­ва рубинового стержня, то рассмотрим его устрой­ство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина смен­ные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

    Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заме­щена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный – 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой темпе­ратуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их де­лают параллельными с точностью около 9...19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внут­ренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 – это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

5.2 Газовый лазер.

Для таких лазеров в качестве активного вещества ис­пользуют либо смесь газов, либо вещество, находящееся в парообразном состоянии. Газовая среда облегчает полу­чение непрерывного стимулированного излучения, по­скольку для перевода вещества в возбужденное состояние требуется меньшая энергия. Впервые в качестве активного вещества применялась смесь гелия и неона. Атом гелия в процессе газового разряда возбуждается электронами тока и переходит с основного уровня 1 на уровень 2. При столкновении атомов гелия с атомами неона последние также возбуждаются и совершают пере­ход на один из четырех верхних подуровней. В связи с тем, что перераспределение энергии при столк­новении двух частиц происходит с минимальным изме­нением общей внутренней энергии, то атомы неона пере­ходят в основном именно па уровень 2, а не на уровень 3 или 4. Вследствие этого создается перенаселенность верхнего уровня 2. При переходе атомов неона с уровня 2 на один из подуровней 3 и с уровня 3 на уровень 4 про­исходит излучение. Поскольку уровень 2 состоит из че­тырех, а уровень 3 – из десяти подуровней, то теоретиче­ски имеются более тридцати возможных переходов. Однако только пять переходов дают стимулированное излучение, которое сосредоточено на длинах волн: 1,118; 1,153; 1,160; 1,199; 1,207 мкм.
E, э-В

                   He+                         Ne+

25                         

20                                  2                                  

19                                             3

                                        4

                      

  0                   He                       Ne

        1                      1                                   

       
Схема энергетических уровней гелий-неоновой смеси.

5.3 Жидкостный лазер.

В этих лазерах рабочей средой служат жидкие диэле­ктрики с примесными рабочими атомами. Оказалось, что, растворяя редкоземельные элементы в некоторых жид­костях. можно получить структуру энергетических уровней, очень сходную со структурой уровней примесных атомов в твердых диэлектриках. Поэтому принцип работы жидкостных лазеров тот же, что и твердотельных. Преимущества жидкостных лазеров очевидны: во-первых. не нужно ни варить стекло высокого качества, ни растить були для кристаллов. Во-вторых, жидкостью можно за­полнять любой объем, а это облегчает охлаждение ак­тивного вещества путем циркуляции самой жидкости в приборе.

Разработан метод получения жидких активных ве­ществ с примесями гадолиния, неодима и самария. При экспериментах по получению стимулированного излуче­ния жидкое вещество помещали в резонатор со сфери­ческими зеркалами, подобный тем, которые использу­ют в газовых лазерах. Если лазер работал в импульсном режиме, то в специальном охлаждении жидкого вещества не было необходимости. Если же прибор работал в не­прерывном режиме, то активное вещество заставляли циркулировать по охлаждающей и рабочей системам.

Был создан и исследован жидкостный лазер с актив­ным веществом, которое излучало в диапазоне 0,5...0,58 мкм (зеленая часть спектра). Это излучение хорошо проникает в воду на большие глубины, поэтому такие генераторы представляют интерес для создания подвод­ных локаторов.

 

5.4 Полупроводниковый лазер.

В создании полупроводникового лазера приоритет принадлежит советским ученым.

Принцип работы полупроводникового лазера может быть объяснен следующим образом. Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы.     продолжение
--PAGE_BREAK--