Николай Глухов - Беседы о физике и технике

Это отношение может быть порядка 10 -4—10 -5рад, в то время как обычные источники света излучают во все стороны, т. е. в 4π; рад. Применение плоских зеркал в резонаторе приводит к тому, что выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, т. е. имеет высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.

Теперь мы можем окончательно заключить, что физической основой лазеров являются: эффект индуцированного (вынужденного) излучения; создание термодинамического неравновесия в активных средах, сопровождающееся инверсией и дающее возможность усиливать световые волны; применение оптического резонатора, накапливающего кванты излучения и формирующего упорядоченную структуру электромагнитного поля, создающего его высокую когерентность.

КАКОВА ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЛАЗЕРА?

Функциональная схема любого оптического квантового генератора (ОКГ) изображена на рис. 46. Здесь 1 — активная среда, 2 — система накачки, 3 — оптический резонатор, 4 — возможные дополнительные элементы. Резонатор выделяет в пространстве оптическую ось ОО 1генератора, вдоль которой испускается лазерное излучение.

Рис. 46. Функциональная схема оптического квантового генератора (ОКГ)

ЧТО ИСПОЛЬЗУЮТ В КАЧЕСТВЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В ЛАЗЕРАХ?

В различных лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси ( газовые ОКГ), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов ( твердотельные ОКГ), полупроводники ( полупроводниковые ОКГ). Активная среда включает в себя небольшое количество атомов, ионов или молекул, называемых активными центрами . В полупроводниковых ОКГ роль высвечивающихся возбужденных активных центров играют электронно-дырочные пары.

Способы возбуждения (в системе накачки) зависят от типа активной среды. Это либо способ передачи энергии возбуждения в результате столкновения частиц в плазме газового разряда (газовые ОКГ), либо передача энергии облучением активных центров некогерентным светом от специальных источников (оптическая накачка в твердотельных ОКГ), либо инжекция неравновесных носителей через р-n -переход, либо возбуждение электронным пучком, либо оптическая накачка (полупроводниковые ОКГ).

Что касается оптического резонатора, то он представляет собой комбинацию из двух зеркал, одно из которых должно быть в некоторой степени прозрачно по отношению к генерируемому излучению.

Внутрь резонатора помещают дополнительные элементы. Их задача — обеспечить определенный режим работы ОКГ (например, непрерывную генерацию, импульсный режим свободной генерации или импульсный режим гигантских импульсов ), модулировать лазерное излучение (т. е. вносить в него определенную полезную информацию).

КАКИЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ ЛАЗЕРЫ? В КАКИХ РЕЖИМАХ ОНИ РАБОТАЮТ?

В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (от 200 до 20000 нм, т. е. от глубокого ультрафиолета до далекой инфракрасной области). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса τ ~= 10 -12с, а также могут давать и непрерывное излучение.

Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 10 18Вт/см 2(интенсивность Солнца составляет «всего» 7∙10 3Вт/см 2).

Сначала остановимся на твердотельных лазерах. Среди них наиболее известны рубиновый лазер и лазеры на стекле, в частности неодимовый лазер (наиболее мощный твердотельный лазер). Активная среда таких ОКГ всегда состоит из двух компонент: основной с кристаллическим или аморфным диэлектриком и примесной (в количестве от нескольких десятых, сотых до нескольких процентов от основной компоненты). Все физические процессы, приводящие к генерации когерентного излучения, происходят в атомах примеси, тогда как основная компонента является средой, которая оберегает активные центры от перегрева, внешних механических перегрузок и является также высокооптически прозрачной основой, несущей излучающие вкрапления атомов или ионов примеси. Для создания инверсии используют оптическую накачку от специальных мощных ламп-вспышек.

ПО КАКОЙ СХЕМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ работают по трех- или четырехуровневой схеме. Коэффициент полезного действия этого типа ОКГ определяется эффективностью превращения электрической энергии в световую (35–50 %), эффективностью поглощения световой энергии активным стержнем (30–50 %), эффективностью использования энергии, поглощенной стержнем (5—10 %), и составляет 0,1–2 %. Твердотельные ОКХ обладают достаточно высокой мощностью излучения при относительно малой длине активной среды.

Первый твердотельный рубиновый лазер (основным элементом такого ОКГ является рубиновый стержень высокой оптической однородности) был создан в 1960 г. Рубин представляет собой по химическому составу оксид алюминия Al 2О 3(корунд) с примесью ионов хрома (0,03—0,05 %), окрашивающих корунд в розовый цвет. Таким образом, ионы хрома и являются активными центрами, в которых осуществляются все физические процессы генерации излучения.

Рубиновый стержень обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,5–2 см и длиной 4,5—24 см.

На рис. 47 показан характерный общий вид твердотельного ОКГ. Здесь 1 — активный стержень, 2 — зеркала оптического генератора, представляющие собой специально обработанные торцы активного стержня, 3 — лампа-вспышка (возможны также конструкции, использующие лампу непрерывного горения), 4 — эллиптический отражатель. В современных лазерах для более эффективной концентрации световой энергии лампы на активном стержне осветитель и рубиновый стержень располагают в фокусах эллипса.

Рис. 47. Твердотельный рубиновый лазер

Ионы хрома, входящие в состав рубина, до вспышки находятся на самом нижнем невозбужденном уровне. Два возбужденных состояния ионов лежат в зеленой и синей областях спектра.

Поглощая зеленый или синий свет, содержащийся в излучении лампы-вспышки, ионы переходят в возбужденное состояние, т. е. на уровень £У (см. рис. 43). Время жизни ионов на этом уровне менее 1∙10 -7с. Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень E 2, отдавая некоторую часть энергии решетке кристалла, нагревая ее. На этом уровне ион может находиться относительно долго (~ 10 -3с).

При достаточно мощной вспышке можно перебросить на метастабильный уровень за 10 -3с достаточное количество частиц и получить инверсию населенности между метастабильным и невозбужденными уровнями иона. Переход частиц с уровня E 3на уровень E 2происходит без испускания электромагнитных волн, тогда как переход с метастабильного на основной уровень происходит с испусканием света в красной области спектра (λ = 694,3 нм).