Лазер

Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках; смотри Лазерные материалы). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера — активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия Лазеры получили применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии), в практической медицине (хирургия, офтальмология), в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E₁; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E₀, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:

E₁ – E₀ = h, где h— Постоянная Планка, — частота излученного фотона.

В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном. Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по эспоненциальному закону:

I = I₀exp(z), где — коэффициент квантового усиления среды, z — пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere — сцепленный).

Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.

Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых — электрический ток или поток электронов.

Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. За счет отражения фотонов в зеркалах резонатор заставляет световую волну многократно проходить по активной среде, повышая эффективность ее использования. В момент начала генерации лазера в резонаторе одновременно и независимо появляется множество волн. После отражения от зеркал резонатора усиливаются по преимуществу те, для которых выполняется условие образования стоячих волн: на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Все остальные частоты будут подавлены, излучение станет когерентным.

Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.

В зависимости от конструкции, способа накачки и состава активной среды лазеры излучают либо в непрерывном, либо в импульсном режиме. Непрерывное излучение дают газовые лазеры, импульсное — твердотельные; полупроводниковые и жидкостные лазеры могут работать как в том, так и в другом режиме. Импульсный режим генерации обычно обусловлен импульсным режимом накачки (лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если не приняты специальные меры, в активной среде возникает режим свободной генерации, при котором за время продолжения вспышки в активной среде успевает возникнуть целая серия импульсов. Чтобы лазер в каждом акте генерации излучал отдельный импульс, перед одним из зеркал его резонатора ставят оптический затвор, который открывается на время 10^-4 — 10^-10 в момент, когда активная среда уже находится в состоянии инверсной заселенности. Вся энергия, накопленная в среде (от долей джоуля до нескольких сотен джоулей), излучается в виде очень короткого, длительностью до фемтосекунд (10^-15 с) и соответствующей мощностью порядка гигаватт (10⁹ Вт), т. н. гигантского импульса. Затвором для получения сверхкоротких лазерных импульсов может, например, служить кювета с раствором веществ, которые под действием светового импульса на короткое время становятся прозрачными.

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов:

в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т.п.

Отдельное место занимают т.н. квантовые усилители — лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.

Рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al₂O₃), в котором около 0, 05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr³⁺, на алюмо-иттриевом гранате (Y₃Al₅O₁₂), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd³⁺), тербия (Tb³⁺), иттербия (Yb³⁺) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы-вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.

Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон-ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.

Наиболее распространены лазеры на смеси гелия и неона (10:1), дающие непрерывное излучение в красной области (= 0, 6328 нм).

Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar²⁺ (= 0, 4880; 0, 5145 мкм, сине-зеленая область), Kr²⁺ (= 0, 5682; 0, 6471 мкм, желто-красная область), Kr³⁺, Ne²⁺ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.

Обладают высокой эффективностью (КПД до 25%) и мощностью (до десятков кВт в непрерывном режиме и десятков кДж в импульсном); излучают в ИК-диапазоне. Инверсная населенность создается УФ-излучением или электронным пучком. Наиболее распространены лазеры на CO₂, H₂O, N₂. Лазеры на парах димера серы S₂ обладают уникальной особенностью: за счет большого числа метастабильных уровней эта молекула излучает одновременно на 15 длинах волн видимого диапазона. Поэтому луч лазера на S₂ кажется белым.

Разновидность молекулярных газовых лазеров; представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000 ^оС и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора; инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO₂ работают в ИК диапазоне (= 10, 6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт.

Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах Cu излучают на длинах волн 510, 4 и 578, 2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт. Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.

Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме — свыше 2 кДж при длительности импульса _имп30 нс; в непрерывном — несколько кВт).

Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) — короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar₂, KrCl, XeO и т. п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 10⁴ Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.

Их активной средой служат растворы органических соединений, комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu), неорганические жидкости. Эти материалы в определенной мере сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов (большая однородность). При необходимости рабочие параметры среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной лампы.

Лазеры на красителях — наиболее распространенный тип жидкостных лазеров. Активной средой служат органические красители на основе бензола и ряда других соединений. Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором. Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так и последовательности ультракоротких импульсов длительностью до 210^-13с.

Активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны (n-проводимость, от англ. negativ — отрицательный) либо дырки, их нехватка (p-проводимость, от positiv — положительный). При их рекомбинации в слое p-n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком. Лазеры имеют очень высокий КПД (до 50%, а отдельные модели — около 100%) и большой коэффициент усиления. Благодаря этому размеры активного элемента лазеров исключительно малы (менее 1 мм). Широкий набор полупроводниковых материалов дают возможность получать излучение в диапазоне длин волн от 0, 3 до 40 мкм. Лазеры разных типов работают и в непрерывном, и в импульсном режиме, развивая мощность от долей мВт до 1 МВт (только в импульсе).

Действие лазеров основано на излучении электронов, которые колеблются под действием внешнего магнитного и/или электрического поля и перемещаются с околосветовой скоростью в направлении излучаемой волны. Из-за эффекта Доплера частота излучения во много раз превышает частоту колебаний электронов и попадает в диапазон длин волн от рентгеновского (менее 6 нм) до СВЧ-радиоизлучения. Наиболее коротковолновое излучение дают лазеры, в которых колебательные движения электронам сообщает поле мощной электромагнитной волны (комптоновский лазер или скаттрон) или периодическое поле т.н. ондулятора (предложен В.Л. Гинзбургом в 1947 году). Возможны и другие способы получения вынужденного излучения — вращение электронов в однородном магнитном поле (т. н. циклотронный резонанс), колебания в неоднородном электростатическом поле, различные виды черенковского излучения. Частота излучения лазеров на свободных электронах может плавно меняться в широких пределах простым изменением скорости движения электронов.

Широкое применение лазеров обусловлено свойствами их излучения — малой расходимостью луча, монохроматичностью и когерентностью излучения. Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оружия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии — как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO₂) — для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства. Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химичесчких экспериментах.

Первым предположил существование индуцированного (вынужденного) излучения и указал на его когерентность А. Эйнштейн (1916). В 1923 году П. Эренфест подтвердил его выводы. В 1927-1930 годах П. Дирак создал квантово-механическую теорию вынужденного излучения. Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928 году, и В.А. Фабрикантом (СССР) в 1939 году.

Теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя мощности была сформулирована Ч. Таунсом (США) в 1951 году, Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым (СССР) в 1953 году. Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радиодиапазоне и в оптическом диапазонах создал В.А. Фабрикант с сотрудниками в 1951 году. Теорию полупроводникового лазера на p-n-переходах сформулировал Дж. фон Нейман (США) в 1953 году.

Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке (длина волны 1, 25 см) и усилителя мощности построены одновременно и независимо Ч. Таунсом (США), Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) в 1954-1956 годах (Нобелевская премия по физике за 1964 годд). Первый квантовый генератор видимого света — импульсный лазер на рубине (длина волны 0, 69 мкм) — сконструировал Т. Мейман (США) в 1960 году.

Первый газовый лазер на He-Ne сделал А. Джаван (США) в 1961 году; ионный лазер — У.Б. Бриджес (США) в 1964 году; лазер на свободных электронах — Дж. Мейди (США) в 1976-1977 годах.

Полупроводниковые лазеры были предложены Н.Г. Басовым в 1962 году, осуществлены на p-n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962 году.

Автор: С.Д. Транковский