Принцип работы лазера

Рассмотрим конструкцию лазера с рубиновым стержнем (рис.1)(твердотельный лазер с оптической накачкой).

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленный оксид алюминия с добавкй (0,04-0,05%) атомов трехвалентного хрома.

Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых импульсов лапмой фотонов, возбуждаятся и переходят на более высокий энергетический уровень. Для изготовления лазеров подбирают такие вещества, атомы которыхпереходят из возбужденного состояния в основе не сразу, а через промежуточное нестабильное состояние и находятся в этом состоянии до тех пор, пока не будут вынужденны перейти в основное состояние. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из нестабильного состояния в основное и испустить при этом фотон, как это стимулирует такой же переход других атомов.

Весь процесс излучения света лазером происходит в два этапа, как показанно на энергетической диаграмме (рис.2).

Если подействовать на находящиеся в нестабильном состоянии атомы квантами световой энергии, частоты которой равна частоте перехода из нестабильного состояния в основное (резонанстная частота), то атомымгновенно переходят в основное состояние, излучая при этом световую энергию.

Нестабильное состояие атомов является определяющим в работе лазера. Процесс перевода атомов в нестабильное состояние, осуществляется с помощью подсветки газоразрябной трубки и представляет собой процесс заселения нестабильного уровня.

При вспышке разрядной трубки, подключенной к источнику питания, возбуждается активный элемент – рубиновый стержень. Возникший в нем луч усиливается, многократно отразившись от световых экранов и выходит через поверхность, частично отразившую свет, ввиде когерентного светового излучения. Когерентное – это излучение с одной частотой, одной направленности и с одинаковыми фазами или постоянной разностью фаз.

Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера при его освещении импульсной вспышкой, показаны на рисунке 3. Находящиеся в невозбужденном состоянии атомы хрома (на рисунке они показаны черными точками) под действием фотонов (стрелки на рисунке) переходят в возбужденное стостояние (белые точки на рисунке 3а). После поглащения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на более низкий уровень, излучая при этом избыток энергии в форме электромагнитных колебаний, в том числе и видимой части спектра.

Часть излучамой атомами энергии рассеивается наружу через стенки стержня (рис.3б). Другая часть, направленная в виде фотонов паралельно оси стержня (рис. 3б-г), по сути своего движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов засчет взаимодействия с находящимися в стержне возбужденными атомами. Возникший поток световой энергии многократноотражается от отражателей на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конечном счете в виде мощного световоголуча выходит из торца стержня в том месте, где отражатель имеет меньшую толщину (шрховка на рис.3). Если теперь на пути этого светового потока поставить линзу, то всю энергию можно сфокусировать на очень маленькой площадке.

Наименьший теоретически вожможный диаметр площадки, на которй можно сфокусировать монохроматическое излучение, равен длине его волн, при условии, что диаметр входного отверстия объектива, где - фокусное расстояние.

Таким образом, основной работой ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения. Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы:

- рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенности;

- систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки);

- оптический зазор;

- устройство для вывода энергии из резонатора;

- систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

- различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки:

- оптическую – за счет облучения вещества мощным световым потоком;

- электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока;

- химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество, и т.д.

В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно – переодическом режимах.

Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа:

- твердотельные с оптическим возбуждением;

- полупроводниковые (ижекционные);

- жидкостные;

- газовые.