Принципиальная схема лазера

Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation что означает «усиление света вынужденным излучением») — устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн l, уровня генерируемой мощности и от того, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение.

Тем не менее, любой лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов:

1) устройства, поставляющего энергию для преобразования её в когерентное излучение; 2) активной среды, которая вбирает в себя эту энергию и переизлучает ее в виде когерентного излучения; 3) устройства, осуществляющего обратную связь.

Для излучения лазера характерны: 1) монохроматичность (когерентность во времени); 2) пространственная когерентность; 3) острая угловая направленность.

Р и с.8.5

В простейшей форме энергетическая схема лазера выглядит следующим образом. Если атому активной среды, находящемуся на основном энергетическом уровне E ₁ (рис. 8.5), сообщить определенное количество энергии то, он может перейти на один из возбужденных уровней с энергией E_k. Возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если испускание света происходит при переходе атома с уровня энергии E_k, на уровень энергии E_i, то энергия фотона и частота w_ki связаны с изменением энергетического состояния атома соотношением где h — постоянная Планка;

Характерной особенностью спонтанных переходов является то, что они не связаны с воздействием каких-либо внешних переменных полей. Причина спонтанных переходов — внутренние возмущения, природа которых еще детально не раскрыта. При спонтанном излучении отдельные атомы излучают независимо друг от друга, и отдельные акты излучения не связаны во времени, поэтому поляризация и направление испускаемых волн могут быть любыми. Отсюда следует, что спонтанное излучение по отношению к внешнему полю будет некогерентным, шумовым, ненаправленным. Наряду со спонтанным переходом существует вынужденный переход атома из возбужденного верхнего энергетического состояния E_k в нижнее энергетическое E_i с излучением дополнительного фотона на той же частоте w_ki под воздействием внешнего электромагнитного поля (например, первичного спонтанного фотона) частоты w_ki. Такие переходы называются индуцированными, стимулированными или вынужденными, а излучение, возникающее в результате вынужденных переходов — вынужденным, индуцированным или стимулированным.

Индуцированное излучение — процесс, составляющий физическую основу работы оптических квантовых генераторов (лазеров). Существует очень важная особенность индуцированного излучения: вторичный фотон, возникающий в результате процесса, неотличим от стимулирующего первичного фотона. Оба фотона характеризуются одинаковыми параметрами: при вынужденном излучении частота, направление распространения, состояние поляризации индуцированного излучения в точности совпадают с частотой, направлением распространения и поляризацией внешнего электромагнитного поля, вызывающего это излучение, и синфазны с ним, т.е. фазы вынужденных и испускаемых квантов жестко связаны. Следовательно, используя этот процесс, можно управлять излучением атомов и таким образом усиливать и генерировать когерентный свет.

Для генерации света необходимы следующие условия:

1) совпадение частоты падающего излучения с одной из частот излучения атома активной среды; 2) инверсия заселенности энергетических уровней; 3) наличие обратной связи между атомами активной среды и испущенным ими излучением.

Рассмотрим каждое из этих условий.

1) Энергетические спектры одинаковых атомов идентичны, поэтому излучение одного атома может индуцировать испускание другого атома, вследствие чего вынужденное излучение возбужденных атомов порождает лавину фотонов, во всем подобных первому фотону и когерентных между собой.

2) Под действием внешней электромагнитной волны могут происходить не только вынужденные переходы с излучением, но и вынужденные переходы с поглощением. При первых переходах энергия воздействующей волны увеличивается, а при вторых — уменьшается. Вероятность обоих типов переходов одинакова. Поэтому, какой из процессов будет преобладать в реальной системе, зависит от населённостей энергетических уровней, между которыми совершаются переходы. Отсюда вытекает второе условие, необходимое для генерации света: населенность N_k (число атомов N, имеющих энергию E_k) верхнего уровня должна быть больше населенности N_i нижнего уровня. Тогда число переходов с вынужденным испусканием будет больше числа переходов с поглощением — вещество усиливает свет. Состояние рабочего вещества лазера, в котором N_k > N_i, называется активным, или состоянием с инверсией (обращением) населённостей. Инверсное состояние, как правило, реализуется, если верхний уровень метастабильный, т.е. долгоживущий. Его обеднение за счет спонтанных переходов значительно меньше, чем любых других уровней, что связано с разным временем жизни t атомов на них (для метастабильного t»10^–3 с, для остальных t» (10^–8 ¸10^–9) с). Инверсная заселенность может быть создана оптической накачкой мощными ксеноновыми лампами (в твердотельных лазерах) или электрическим током (в газовых лазерах).

3) Обратная связь между атомами и их излучением осуществляется при помощи зеркал. В простейшем случае активная среда помещается между двумя зеркалами, одно из которых (З₁) частично прозрачно для генерируемого света, второе (З₂) почти полностью отражающее (рис. 8.6)

Р и с.8.6

Первоисточником является процесс спонтанного испускания. Испущенная в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через активное вещество. Дойдя до зеркала, свет отразится и снова пройдет через активную среду, усиливая генерацию света, а затем отразится от другого зеркала и т.д. Часть света, падающего на полупрозрачное зеркало З₂, пройдет через него. Эта часть световой энергии испускается лазером и может быть использована.

Усиление света в активном веществе и коэффициенты отражения зеркал должны быть такими, чтобы при одном проходе между зеркалами на полу прозрачнее зеркало вернулось световой энергии не меньше, чем в предыдущем случае. Только тогда световая энергия начнет нарастать от прохода к проходу, в противном случае генерации не будет.

Зеркала выполняют роль не только отражателей, возвращающих часть излучения обратно в активную среду, они образуют оптический резонатор. Именно оптический резонатор обеспечивает излучению лазера его основные свойства — высокую направленность и монохроматичность. С точки зрения геометрической оптики, зеркала обеспечивают многократное прохождение света через активную среду. Поскольку коэффициент усиления инверсной среды зависит от толщины проходимого слоя, то многократное прохождение света между зеркалами эквивалентно увеличению длины активной среды, т.е. увеличению усиления.

С другой стороны, многократно пройти через активную среду и усилиться смогут лишь те лучи, которые распространяются под малым углом к оси лазера. Таким образом обеспечивается высокая степень направленности луча лазера. Однако, строго параллельный пучок получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела dq ~ l /Д, где Д — ширина пучка. Такой предел практически достижим в лучших газовых лазерах.

Кроме того, оптический резонатор обладает резонансными свойствами. В резонаторе могут стационарно существовать лишь колебания, для которых на длине резонатора укладывается целое число полуволн: Соответствующие частоты определяются формулой ,

где c — скорость света; L — расстояние между зеркалами; m — целое число.

Вследствие потерь в системе резонансы не вполне остры. Полная ширина полосы пропускания резонатора на полувысоте ,

где Q — добротность резонатора; a — полная потеря энергии при однократном прохождении лазера, которая складывается из рассеяния на неоднородностях активной среды, потерь в зеркалах, дифракционных потерь и потерь на торцах активной среды. Чтобы генерация имела место, общие потери в резонаторе должны быть меньше прироста мощности, получаемой при прохождении излучения через активную среду.

Генерация возможна только на резонансных частотах n_m и ширина генерируемой линии определяется dn_p. Так, для гелий-неонового лазера L = 0,5 м и a» 0,01, получим

Но резонансные явления приводят к еще большему сужению линии излучения. Теоретическая ширина линии излучения определяется формулой , где h — постоянная Планка, p — мощность излучения (порядка милливатт), т.е.

Итак, теоретическая ширина линии излучения чрезвычайно мала. Однако практически получить такую ширину вряд ли возможно хотя бы потому, что для этого нужно поддерживать постоянство длины лазера с точностью