На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

активной (рабочей) среды;

системы накачки (источник энергии);

оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества:твёрдое,жидкое,газообразное,плазма . В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана :

здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E , N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана,T - температурасреды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, чтофотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтомуэлектромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.Интенсивностьизлучения при этом падает позакону Бугера :

здесь I 0 - начальная интенсивность, I l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 - показатель поглощениявещества. Поскольку зависимостьэкспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону :

где a 2 - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе . Эти потери связаны с насыщениемметастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощениепримесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерахона осуществляется за счёт облучения мощнымигазоразрядными лампами-вспышками, сфокусированнымсолнечнымизлучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большиеплотности энергиинакачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачкаэлектрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачкахимических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачкаполупроводниковых лазеровпроисходит под действием сильного прямоготокачерезp-n переход, а также пучкомэлектронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретыхгазов;фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а - трёхуровневая и б - четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубинпредставляет собойкристаллкорундаAl 2 O 3 , легированныйнебольшим количествомионовхромаCr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического полякристаллической решёткикорунда внешний энергетический уровень хромаE 2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергиейE 0 в возбуждённое с энергией около E 2 . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E 1 , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E 0 на уровень E 1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодимаNd 3+ , используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E 2 и основным уровнем E 0 имеется промежуточный - рабочий уровень E 1 . Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E 2 и E 1 . Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E 2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E 1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η квантовое = hν излучения /hν накачки)

Лазер (от англ. « light amplification by stimulated emission of radiation » - «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор - это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения : монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Т акже к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения. Таким образом, чтобы понять принципы работы лазера, необходимо поговорить о характерных свойствах лазерного излучения и инверсно-населенной среды – одного из трех основных компонент лазера.

Спектр лазерного излучения. Монохроматичность.

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры (например, полупроводниковые с вращающейся дифракционной решеткой в качестве выходного зеркала) могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»). На рис. 1 для иллюстрации данного свойства приведены спектры излучения Солнца (на уровне внешних слоев атмосферы и на уровне моря) и полупроводникового лазера производства компании Thorlabs .

Рис. 1. Спектры излучения Солнца и полупроводникового лазера.

Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии (ширина может быть задана как отстройка по длине волны или частоте от максимума интенсивности). Обычно спектральная ширина задается по уровню 1/2 (FWHM ), 1/ e или 1/10 от максимума интенсивности. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра. Для специалистов отметим, что ширина лазерной линии может быть на порядки уже ширины линии спонтанного излучения, что также является одной из отличительных характеристик лазера (по сравнению, например, с люминесцентными и суперлюминесцентными источниками).

Когерентность лазерного излучения

Монохроматичность – важное, но не единственное свойство лазерного излучения. Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность. Обычно говорят о пространственной и временной когерентности.

Представим себе, что лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 2). После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Можно разделить лазерный пучок и по-другому: вместо полупрозрачного зеркала поставить полностью отражающую поверхность, но перекрыть ей не весь пучок, а только часть его (рис. 2). Тогда будет наблюдаться взаимодействие излучения, которое распространялось в разных частях пучка. Максимальное расстояние между точками пучка, излучение в которых будет интерферировать, называется длиной поперечной когерентности лазерного пучка. Конечно, для многих лазеров длина поперечной когерентности просто равна диаметру пучка лазерного излучения.

Рис. 2. К объяснению понятий временной и пространственной когерентности

Угловая расходимость лазерного излучения. Параметр M 2 .

Как бы мы ни стремились сделать пучок лазерного излучения параллельным, он всегда будет иметь ненулевую угловую расходимость. Минимальный возможный угол расходимости лазерного излучения α d («дифракционный предел») по порядку величины определяется выражением:

α d ~ λ /D, (1)

где λ - длина волны лазерного излучения, а D – ширина пучка, вышедшего из лазера. Легко подсчитать, что при длине волны 0.5 мкм (зеленое излучение) и ширине лазерного луча 5 мм угол расходимости составит ~10 -4 рад, или 1/200 градуса. Несмотря на стольмалое значение, угловая расходимость может оказаться критичным для некоторых приложений (например, для использования лазеров в боевых спутниковых системах), поскольку оно задает верхний предел достижимой плотности мощности лазерного излучения.

В целом качество лазерного пучка можно задать параметром M 2 . Пусть минимально достижимая площадь пятна, создаваемого идеальной линзой при фокусировке гауссова пучка, равна S . Тогда если та же линза фокусирует пучок от данного лазера в пятно площади S 1 > S , параметр M 2 лазерного излучения равен:

M 2 = S 1 / S (2)

Для наиболее качественных лазерных систем параметр M 2 близок к единице (в частности, в продаже имеются лазеры с параметром M 2 , равным 1.05). Надо, однако, иметь в виду, что далеко не для всех классов лазеров на сегодняшний день достижимо низкое значение этого параметра, что надо учитывать при выборе класса лазера для конкретной задачи.

Мы вкратце привели основные свойства лазерного излучения. Опишем теперь на основные компоненты лазера: среду с инверсной населенностью, лазерный резонатор, накачку лазера, а также схему лазерных уровней.

Среда с инверсной населенностью. Схема лазерных уровней. Квантовый выход.

Основным элементом, преобразующим энергию внешнего источника (электрическую, энергию нелазерного излучения, энергию дополнительного лазера накачки) в световую, является среда, в которой создана инверсная населенность пары уровней. Термин «инверсная населенность» означает, что определенная доля структурных частиц среды (молекул, атомов или ионов) переведена в возбужденное состояние, причем для некоторой пары энергетических уровней этих частиц (верхний и нижний лазерный уровни) на верхнем по энергии уровне находится больше частиц, чем на нижнем.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 3), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 3. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней, однако, в классическом приближении невозможно . Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень, с которого частицы за короткое время релаксируют к более низкому значению энергии - верхнему лазерному уровню. В лазерную генерацию вовлекается также один из нижележащих уровней - основное состояние атома в трехуровневой схеме или промежуточное - в четырехуровневой (рис. 4). Четырехуровневая схема оказывается более предпочтительной в силу того, что промежуточный уровень обычно населен гораздо меньшим количеством частиц, чем основное состояние, соответственно создать инверсную населенность (превышение числа возбужденных частиц над числом атомов на нижнем лазерном уровне) оказывается гораздо проще (для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии).

Рис. 4. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Особой структурой энергетических уровней обладают полупроводниковые лазеры. В процесс генерации излучения в полупроводниковых лазерах вовлечены электроны двух зон полупроводника, однако благодаря примесям, формирующим светоизлучающий p - n переход, границы этих зон в разных участках диода оказываются сдвинутыми друг относительно друга. Инверсная населенность в области p - n перехода в таких лазерах создается за счет перетекания электронов в область перехода из зоны проводимости n ‑участка и дырок из валентной зоны p ‑участка. Подробнее о полупроводниковых лазерах можно прочитать в специальной литературе.

В современных лазерах применяются различные методы создания инверсной населенности, или накачки лазера.

Накачка лазера. Способы накачки.

Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс называется накачкой лазера. Существует несколько основных методов накачки, применимость которых в конкретном лазере зависит от рода активной среды. Так, для эксимерных и некоторых газовых лазеров, работающих в импульсном режиме (например, CO 2 - лазера) возможно возбуждение молекул лазерной среды электрическим разрядом. В непрерывных газовых лазерах для накачки можно использовать тлеющий разряд. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется за счет приложения напряжения к p ‑ n переходу лазера. Для твердотельных лазеров можно использовать некогерентный источник излучения (лампу-вспышку, линейку или массив светоизлучающих диодов) или другой лазер, длина волны которого соответствует разности энергий основного и возбужденного состояний примесного атома (в твердотельных лазерах, как правило, лазерная генерация возникает на атомах или ионах примеси, растворенных в сетке матрицы - например, для рубинового лазера активной примесью являются ионы хрома).

Обобщая, можно сказать, что метод накачки лазера определяется его типом и особенностями активного центра генерирующей среды. Как правило, для каждого конкретного типа лазеров имеется наиболее эффективный метод накачки, который и определяет тип и конструкцию системы подвода энергии к активной среде.

Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации, хотя на их основе уже можно построить некоторые устройства (например, усилитель или суперлюминесцентный источник излучения). Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора. Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

exp(a × 2L) = R 1 × R 2 × exp(g × 2L) × X,(3)

где L = длина активной среды, a - коэффициент усиления в активной среде, R 1 и R 2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора и g - «серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды). Последний множитель « X » обозначает все прочие потери, присутствующие в лазере (например, в лазер может быть введен специальный поглощающий элемент, чтобы лазер генерировал импульсы малой длительности), при их отсутствии он равен 1. Чтобы получить условие развития лазерной генерации из спонтанно излученных фотонов, очевидно, равенство надо заменить знаком «>».

Из равенства (3) вытекает следующее правило для выбора выходного лазерного зеркала: если коэффициент усиления излучения активной средой с учетом серых потерь (a - g ) × L мал, коэффициент отражения выходного зеркала R 1 должен быть выбран большим, чтобы лазерная генерация не затухала из-за выхода излучения из резонатора. Если же коэффициент усиления достаточно велик, обычно имеет смысл выбрать меньшее значение R 1 , поскольку высокий коэффициент отражения будет приводить к повышению интенсивности излучения внутри резонатора, что может сказаться на времени жизни лазера.

Однако резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 5. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами; устойчивый резонатор и

стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.

Мы кратко описали минимальный необходимый набор элементов для создания лазера и основные особенности лазерного излучения.

В такой схеме (рис. 1) нижним лазерным уровнем "1" является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем "2" является относительно долгоживущий уровень, а уровень "3", связанный с уровнем "2" быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу "1">"3".

Рис. 1. "Трёхуровневая" схема при оптической накачке

Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми g1=g2=g3, запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней "3" и "2" в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях:

где n1, n2, n3 - концентрации частиц на уровнях 1, 2 и 3, Wn1 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "1" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik - вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объёма.

Из (2) можно найти населённости уровней n2 и n1, как функцию W, и их разность Дn в виде

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления б0 ансамбля частиц на переходе "2">"1". Для того, чтобы б0>0, необходимо, чтобы, т.е. числитель в (3) должен быть положительным:

где Wпор - пороговый уровень накачки. Так как всегда Wпор>0, то отсюда следует, что w32>w21, т.е. вероятность накачки уровня "2" релаксационными переходами с уровня "3" должна быть больше вероятности его релаксации в состояние "1".

В случае, если

w32 >>w21 и w32 >>w31, (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W>>w21, то инверсия Дn будет: Дn?n2?N, т.е. на уровне "2" можно "собрать" все частицы среды. Заметим, что соотношения (5) для скоростей релаксации уровней отвечают условиям генерации "пичков" (см., Раздел 3.1).

Таким образом, в трёхуровневой системе с оптической накачкой:

1) инверсия возможна, если w32>>w21 и максимальна когда w32>>w31;

2) инверсия возникает при W>Wпор, т.е. создание носит пороговый характер;

3) при невысоких w21 создаются условия для "пичкового" режима свободной генерации лазера.

Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл Аl2O3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr3+ (концентрация ионов ~1,6 1019 см_3), и обозначается как Аl2O3:Cr3+. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr3+: нижний лазерный уровень "1" является основным энергетическим состоянием Cr3+ в Аl2O3, верхний лазерный уровень "2" - долгоживущий метастабильный уровень с ф2~10_3с. Уровни "3а" и "3б" являются вспомогательными. Переходы "1">"3а" и "1">"3б" принадлежат к синей (л0,41мкм) и "зелёной" (л0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Дл~50нм) контура поглощения (полосы).

Рис. 2. Рубиновый лазер. (а) - Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 (корунде); (б) - конструктивная схема лазера, работающего в импульсном режиме с модуляцией добротности. 1 - рубиновый стержень, 2 - лампа накачки, 3 - эллиптический отражатель, 4а - неподвижное зеркало резонатора, 4б - вращающееся зеркало резонатора, модулирующее добротность резонатора, Сн - накопительный конденсатор, R - зарядный резистор, "Кн" - кнопка пуска импульса тока через лампу; показан вход и выход охлаждающей воды.

Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней "3а" и "3б" Cr3+ по каналу "1">"3" ионами Cr3+ при поглощении ионами Cr3+ излучения импульсной ксеноновой лампы. Затем за сравнительно малое время (~10_8 с) происходит безызлучательный переход этих ионов из "3а" и "3б" - на уровни "2". Выделяющаяся при этом энергия превращается в колебания кристаллической решетки. При достаточной плотности с энергии излучения источника накачки: когда, и на переходе "2">"1" возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на л694,3нм и л692,9 нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень "2" около? всех активных частиц, что при накачке с л0,56 мкм требует удельную энергию излучения Епор>2Дж/см 3 (и мощность Рпор>2кВт/см 3 при длительности импульса накачки ф?10_3c). Столь высокое значение вкладываемой в лампу и рубиновый стержень мощности при стационарной ОН может привести к его разрушению, поэтому лазер работает в импульсном режиме и требует интенсивного водяного охлаждения.

Схема лазера показана на рис. 2,б. Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причём лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса. В результате всё излучение, выходящее из лампы, оказывается сфокусированным в стержне. Импульс света лампы возникает при пропускании через неё импульса тока путём разряда накопительного конденсатора в момент замыкания контактов кнопкой "Кн". Охлаждающая вода прокачивается внутри отражателя. Энергия излучения лазера в импульсе достигает нескольких джоулей.

Импульсный режим работы этого лазера может быть одним из следующих (см., Раздел 3):

1) режим "свободной генерации" при малой частоте повторения импульсов (обычно 0,1-10 Гц);

2) режим "модулированной добротности", обычно оптико-механический. На рис. 2,б модуляция добротности ООР осуществляется путём вращения зеркала;

3) режим "синхронизации мод": при ширине линии излучения Дннеодн~1011Гц,

число продольных мод М~102, длительность импульса ~10 пс.

Среди применений рубинового лазера: голографические системы записи изображений, обработка материалов, оптические дальномеры и др.

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl2O4:Cr3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7-0,82 мкм.

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.

Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.

Контрольная работа

ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Введение

2.2. Рубиновый лазер

3.2. Неодимовый лазер

3.7. Волоконные лазеры

5. Полупроводниковые лазеры

5.1. Принцип действия

5.2. ДГС-лазеры

5.3. РОС- и ВРПИ-лазеры

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

К лазерам на основе веществ в конденсированном состоянии относятся лазеры, активная среда которых создаётся:

1) в твёрдых телах – главным образом в диэлектрических кристаллах и стёклах, где активными частицами являются легирующие кристалл ионизированные атомы актиноидов, редкоземельных и других переходных элементов, а также – в кристаллах, обладающих свойствами полупроводника,

2) в жидкостях, в состав которых вводятся активные частицы – молекулы органических красителей.

В этих средах вынужденное лазерное излучение возникает за счёт индуцированных излучательных переходов (см., раздел 1) между энергетическими уровнями ионов-активаторов или термами молекул. В полупроводниковых структурах вынужденное излучение возникает в результате рекомбинации свободных электронов и дырок. В отличие от газовых лазеров (см., раздел 4) инверсия населённостей в твёрдотельных и жидкостных лазерах всегда создаётся на переходах, близкорасположенных к основному энергетическому состоянию активной частицы.

Поскольку диэлектрические кристаллы не проводят электрический ток, то для них а также и для жидких сред используется т.наз. оптическая накачка – накачка лазерного перехода оптическим излучением (светом) от вспомогательного источника.

В полупроводниковых лазерах чаще используется накачка электрическим током (инжекционным током), протекающим через полупроводник в прямом направлении, реже – другие типы накачки: оптическая накачка, либо накачка бомбардировкой электронами.

1. Специфика оптической накачки активной среды лазера

Важной особенностью ОН является её селективность , а именно: подбором длины волны излучения ОН можно избирательно возбуждать нужное квантовое состояние активных частиц. Найдём условия, обеспечивающие максимальную эффективность процесса возбуждения активных частиц за счёт оптической накачки (ОН), в результате чего активная частица испытывает квантовый переход из энергетического состояния ‘ i ’ в вышерасположенное по шкале энергии возбуждённое состояние ‘ k ’. Для этого воспользуемся выражением для мощности излучения источника ОН, поглощаемой активными частицами облучаемой среды (см., раздел 1.9)

. (1)

В (1) входят частотная зависимость спектральной плотности энергии излучения источника ОН и функция формы линии поглощения среды, т.е. её частотная зависимость (форм-фактор) .

Очевидно, что скорость поглощения и величина поглощаемой мощности будут максимальными, когда:

1) концентрация частиц в состоянии ‘ i ’ будет наибольшей, т.е. ОН эффективна при высокой плотности активных частиц, а именно, из всего многообразия сред – для сред, находящихся в конденсированном состоянии (твёрдых тел и жидкостей);

2) В состоянии ТДР распределение частиц по состояниям с различными значениями внутренней (потенциальной) энергии описывается формулой Больцмана, а именно: максимальной заселённостью обладает основное (низшее) энергетическое состояние частицы и ансамбля в целом. Отсюда следует, что состояние ‘ i ’ должно являться основным энергетическим состоянием частицы;

3) для возможно более полного поглощения энергии источника ОН (наибольшей Δ P ik ) желательно иметь среду с наибольшим значением коэффициента поглощения на квантовом переходе: (см., ф-лу (1.35)), а поскольку пропорционален коэффициенту Эйнштейна B k i , а В ki А ki (см., ф-лу (1.11,б)), то желательно, чтобы поглощающий переход был бы “разрешённым” и “резонансным”;

4) Желательно, чтобы ширина спектра излучения источника накачки была бы не больше ширины контура поглощения активных частиц. При накачке спонтанным излучением ламп добиться этого, как правило, не удаётся. Идеальной с этой точки зрения является “ когерентная ” накачка – накачка монохроматическим излучением лазера, при которой вся линия (весь спектр) излучения ОН “попадает” в контур поглощения. Такой режим поглощения и был рассмотрен нами в разделе 1.9;

5) очевидно, что эффективность ОН будет тем выше, чем большая доля излучения будет поглощаться активными частицами посредством квантового перехода с накачкой нужного уровня. Так, если активная среда представляет собой кристалл (матрицу), легированную активными частицами, то матрица должна выбираться такой, чтобы излучение ОН ею не поглощалось, т.е. чтобы матрица была бы “прозрачной” для излучения накачки, что исключает в том числе и нагрев среды. В то же время полный КПД системы “источник ОН – активная среда лазера” обычно в большой степени определяется эффективностью преобразования электрической энергии, вкладываемой в источник накачки,– в его излучение;

6) В разделе 1.9 было показано, что в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями ни при каких значениях интенсивности внешнего излучения (т.е. оптической накачки) принципиально невозможно получить инверсию населённостей: при →∞ удаётся лишь уравнять населённости уровней.

Поэтому для накачки квантового лазерного перехода оптическим излучением и создания на нём инверсии населённостей, используются активные среды с одним или двумя вспомогательными энергетическими уровнями, что вместе с двумя уровнями лазерного перехода образует трёх- или четырёхуровневую схему (структуру) энергетических уровней активной среды.

2. Квантовые приборы с оптической накачкой, работающие по “трёхуровневой схеме”

2.1. Теоретический анализ трёхуровневой схемы . В такой схеме (рис. 1) нижним лазерным уровнем «1» является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем «2» является относительно долгоживущий уровень, а уровень «3», связанный с уровнем «2» быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным . Оптическая накачка действует по каналу «1»→«3».

Найдем условие существования инверсии между уровнями «2» и «1». Полагая статистические веса уровней одинаковыми g 1 = g 2 = g 3 , запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней «3» и «2» в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях:

(2)

где n 1 , n 2 , n 3 – концентрации частиц на уровнях 1,2 и 3, Wn 1 и Wn 3 – скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями «1» и «3» под действием излучения накачки, вероятность которой W ; w ik – вероятности переходов между уровнями, N

Из (2) можно найти населённости уровней n 2 и n 1 , как функцию W , и их разность Δ n в виде

, (3)

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления α 0 ансамбля частиц на переходе «2»→«1». Для того, чтобы α 0 >0, необходимо, чтобы, т.е. числитель в (3) должен быть положительным:

, (4)

где W пор – пороговый уровень накачки. Так как всегда W пор >0, то отсюда следует, что w 32 > w 21 , т.е. вероятность накачки уровня «2» релаксационными переходами с уровня «3» должна быть больше вероятности его релаксации в состояние «1».

В случае, если

w 32 >> w 21 и w 32 >> w 31 , (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W >> w 21 , то инверсия Δ n будет: Δ n ≈ n 2 ≈ N , т.е. на уровне «2» можно “собрать” все частицы среды. Заметим, что соотношения (5) для скоростей релаксации уровней отвечают условиям генерации “пичков” (см., Раздел 3.1).

Таким образом, в трёхуровневой системе с оптической накачкой:

1) инверсия возможна, если w 32 >> w 21 и максимальна когда w 32 >> w 31 ;

2) инверсия возникает при W > W пор , т.е. создание носит пороговый характер;

3) при невысоких w 21 создаются условия для “пичкового” режима свободной генерации лазера.

2.2. Рубиновый лазер . Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл А l 2 O 3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr 3+ (концентрация ионов ~1,6∙10 19 см 3 ), и обозначается как А l 2 O 3 : Cr 3+ . Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr 3+ : нижний лазерный уровень «1» является основным энергетическим состоянием Cr 3+ в А l 2 O 3 , верхний лазерный уровень «2» – долгоживущий метастабильный уровень с τ 2 ~10 3 с. Уровни «3а» и «3б» являются вспомогательными . Переходы «1»→«3а» и «1»→«3б» принадлежат к синей (λ0,41мкм) и “зелёной” (λ0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Δ λ ~50нм) контура поглощения (полосы).

Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней «3а» и «3б» Cr 3+ по каналу «1»→«3» ионами Cr 3+ при поглощении ионами Cr 3+ излучения импульсной ксеноновой лампы. Затем за сравнительно малое время (~10 8 с) происходит безызлучательный переход этих ионов из «3а» и «3б» – на уровни «2». Выделяющаяся при этом энергия превращается в колебания кристаллической решетки. При достаточной плотности ρ энергии излучения источника накачки: когда, и на переходе «2»→«1» возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на λ694,3нм и λ692,9нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень «2» около ⅓ всех активных частиц, что при накачке с λ0,56мкм требует удельную энергию излучения Е пор >2Дж/см 3 (и мощность Р пор >2кВт/см 3 при длительности импульса накачки τ ≈10 3 c ). Столь высокое значение вкладываемой в лампу и рубиновый стержень мощности при стационарной ОН может привести к его разрушению, поэтому лазер работает в импульсном режиме и требует интенсивного водяного охлаждения.

Схема лазера показана на рис. 2,б. Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причём лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса. В результате всё излучение, выходящее из лампы, оказывается сфокусированным в стержне. Импульс света лампы возникает при пропускании через неё импульса тока путём разряда накопительного конденсатора в момент замыкания контактов кнопкой « Кн ». Охлаждающая вода прокачивается внутри отражателя. Энергия излучения лазера в импульсе достигает нескольких джоулей.

Импульсный режим работы этого лазера может быть одним из следующих (см., Раздел 3):

1) режим “свободной генерации” при малой частоте повторения импульсов (обычно 0,1…10Гц);

2) режим “модулированной добротности”, обычно оптико-механический. На рис. 2,б модуляция добротности ООР осуществляется путём вращения зеркала;

3) режим “синхронизации мод”: при ширине линии излучения Δν неодн ~10 11 Гц,

число продольных мод М~10 2 , длительность импульса ~10пс.

Среди применений рубинового лазера: голографические системы записи изображений, обработка материалов, оптические дальномеры и др.

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7…0,82 мкм.

2.3. Эрбиевый волоконно-оптический квантовый усилитель . Такой усилитель, называемый часто “ EDFA ” (аббревиатура от “ Erbium Dopped Fiber Amplifier ”), работает по трёхуровневой схеме на квантовых переходах между электронными состояниями Er 3+ в кварцевом волокне, легированном эрбием: SiO 2 : Er 3+ (рис. 3,а). Нижним квантовым состоянием «1» является основное электронное состояние Er 3+ – 4 I 15/2 . Верхними квантовыми состояниями «2» является группа нижних подуровней расщеплённого электронного состояния 4 I 13/2 . Расщепление на ряд близкорасположенных подуровней возникает из-за взаимодействия ионов Er 3+ с внутрикристаллическим полем SiO 2 (эффект Штарка). Верхние подуровни электронного состояния 4 I 13/2 и отдельный уровень 4 I 11/2 являются вспомогательными уровнями «3а» и «3б».

Под действием излучения накачки на длинах волн 980нм (или 1480нм) ионы Er 3+ переходят из состояния «1» в короткоживущие состояния «3а» или «3б», а затем быстрыми безызлучательными переходами (w 32 ~10 6 c –1 ) – в состояние «2», которое является квазиметастабильным (w 21 ~10 2 c –1 , а τ 2 ~10мс). Таким образом, требование w 32 >> w 21 выполняется, и на уровне «2» происходит накопление частиц, число которых при превышении уровня накачки над ее пороговым значением W > W пор , превышает населённость уровня «1», т.е. возникнет инверсия населённостей и усиление на длинах волн в диапазоне 1,52…1,57мкм (рис. 3,б). Оказывается, что порог инверсии достигается, когда на уровень «2» переводится одна треть частиц. Пороговый уровень ОН– W пор и частотная зависимость коэффициента усиления определяются структурой волокна (рис. 3,б), концентрацией Er 3+ и длиной волны излучения ОН. Эффективность накачки, а именно отношение ненасыщенного коэффициента усиления к единице мощности источника ОН, составляет для накачки с λ980нм–до 11дБ·м –1 ∙мВт –1 , а для λ1480нм–около 6дБ·м –1 ∙мВт –1 .

Соответствие частотного диапазона усиления EDFA третьему “окну про-зрачности” кварцевого волокна обуславливает применение таких усилителей в качестве компенсаторов линейных потерь современных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с частотным уплотнением каналов (системы WDM : Wavelength Division Multiplexing , и DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing ). Отрезок кабеля-усилителя, накачиваемый излучением полупроводникового лазера, достаточно просто включается в ВОЛС (рис. 3,в). Использование эрбиевых волоконных усилителей в ВОЛС заменяет технически гораздо более сложный метод “регенерации” сигнала – выделения слабого сигнала и его восстановления.

3. Лазеры с оптической накачкой, работающие по “четырёхуровневой схеме”.

3.1. Теоретический анализ четырёхуровневой схемы . В такой схеме уровней (рис. 4) уровень «0» является основным энергетическим состоянием ансамбля частиц, уровень «1», связанный квантовым переходом с уровнем «0», является нижним лазерным, долгоживущий уровень «2» является верхним лазерным уровнем, а уровень «3» является вспомогательным. Накачка действует по каналу «0»→«3».

Найдем условие существования инверсии между уровнями «2» и «1». Полагая статистические веса уровней одинаковыми, а также полагая, что

и, (6)

запишем упрощённую систему кинетических уравнений для уровней «3», «2» и «1»в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на всех уровнях:

(7)

где n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , – концентрации частиц на уровнях 0,1,2,3; Wn 0 и Wn 3 – скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями «0» и «3» под действием излучения накачки, вероятность которой W ; w ik –вероятности переходов между уровнями, N –полное число активных частиц в единице объёма.

Из (6 и 7) можно найти населённости уровней n 1 и n 2 как функцию W , и их разность Δ n в виде

, (8)

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления α 0 на переходе «2»→«1».

Очевидно, что коэффициент усиления будет положительным и максимальным, когда:

. (9)

Отсюда можно сделать выводы, что при четырёхуровневой схеме с ОН, когда выполняются условия (6) и (9):

1) инверсия не носит порогового характера и существует при любых W ;

2) выходная мощность лазера, определяемая выражением (2.14), зависит от скорости оптической накачки Wn 0 .

3) по сравнению с трёхуровневой, четырёхуровневая схема является более универсальной и позволяет создавать инверсию населённостей, а также осуществлять как импульсную, так и непрерывную и генерацию при любых уровнях накачки (когда усиление превышает потери в ООР).

3.2. Неодимовый лазер . В лазере используется квантовый переход между электронными энергетическими уровнями Nd 3+ , лазерная генерация осуществляется по четырёхуровневой схеме с ОН (рис. 5). Наиболее широко применяемой кристаллической матрицей для ионов Nd 3+ является иттрий-алюминиевый гранат: Y 3 Al 5 O 12 , и легированный кристалл обозначается как Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ или ИАГ: Nd 3+ . Концентрация Nd 3+ , не деформирующая кристалл ИАГ – до 1,5%. Другими матрицами для Nd 3+ являются фосфатные и силикатные стёкла (обозначаемые как стекло : Nd 3+ ), кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната (ГСГГ: Nd 3+ ), иттрий-литий фторида– YLiF 4 : Nd 3+ , ортованадата иттрия, металлоорганические жидкости. Благодаря кубической структуре матрицы, спектр люминесценции ИАГ имеет узкие линии, что определяет высокий коэффициент усиления твёрдотельных лазеров на неодиме, которые могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах генерации.

Упрощённая диаграмма энергетических электронных уровней Nd 3+ в ИАГ представлена на рис.5 Нижний лазерный уровень «1» 4 I 11/2 наиболее интенсивного квантового перехода Nd 3+ с длиной волны λ1,06мкм располагается примерно на 0,25эВ выше основного энергетического состояния «0»– 4 I 9/2 , и в нормальных условиях практически не заселён (0,01% от населённости основного состояния), что и определяет низкий порог генерации этого лазера. Уровень 4 F 3/2 , время жизни которого 0,2мс, является верхним лазерным уровнем «2». Группы уровней (энергетические “зоны”) «3а»…«3 д » играют роль вспомогательного электронного уровня «3». Оптическая накачка осуществляется по каналу «0»→«3», полосы поглощения имеют длины волн вблизи 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 и 0,89мкм. Из состояний «3а»…«3 д » происходит быстрая релаксация безызлучательными переходами в верхнее лазерное состояние «2».

Для накачки используются криптоновые и ксеноновые газоразрядные лампы, галогенные лампы с добавками щелочных металлов в наполняющем газе, а также полупроводниковые GaAs лазеры (λ0,88мкм) и светодиоды на основе Ga 1 x Al x As (λ0,81мкм) (рис. 6).

Мощность излучения лазера на ИАГ: Nd 3+ с длиной волны λ1,06мкм в непрерывном режиме достигает 1кВт, рекордные значения, достигнутые в импульсном режиме: энергия импульса – около 200кДж, а мощность–200ТВт при длительности импульса ~1нс (лазер, созданный для экспериментов по управляемому лазерному термоядерному синтезу-ЛТС).

В кристалле ИАГ лазерная линия Nd 3+ с λ1,06мкм уширена однородно (до 0,7нм), в то время, как в стёклах имеет место значительное неоднородное уширение за счёт эффекта Штарка (Δ ν неодн ≈3∙10 12 Гц,), что позволяет успешно применять режим синхронизации продольных мод (см., раздел 3.3) с М ~10 4 и получать сверхкороткие импульсы длительностью порядка 1пс.

Повышенная концентрация ионов-активаторов в таких средах как пентафосфат неодима (NdP 5 O 14 ), тетрафосфат неодима лития (LiNdP 4 O 12 ) и др., обеспечивает эффективное поглощение излучения полупроводникового лазера на расстояниях порядка долей миллиметра, что позволяет создавать миниатюрные модули, называемые минилазерами : полупроводниковый лазер–неодимовый лазер.

Высокая мощность излучения неодимового лазера с λ1,06мкм позволяет осуществлять преобразование частоты его излучения с помощью нелинейных кристаллов. Для генерации второй и высших оптических гармоник используют кристаллы с квадратичной и кубичной нелинейной восприимчивостью (калия дигидрофосфат – KDP , калия титанилфосфат – KTP ), при прямом и (или) последовательном (каскадном) преобразовании. Так, если использовать для излучения неодимового лазера цепочку кристаллов, то можно получать кроме ИК-излучения на основной частоте с λ1,06мкм – генерацию 2-й, 4-й и 5й гармоник с длинами волн λ0,53мкм (зелёное излучение); λ0,35мкм, λ0,26мкм и λ0,21мкм (УФ излучение)–(рис. 7).

Основные области применения неодимовых лазеров: технологические и медицинские установки, эксперименты по управляемому лазерному термоядерному синтезу, исследования резонансного взаимодействия излучения с веществом, в системах подводного видения и связи (λ0,53мкм), оптическая обработка информации; спектроскопия, дистанционная диагностика примесей в атмосфере (УФ излучение) и др.

В лазерах, использующих в качестве матрицы стёкла (силикатные, боратные и др.), могут с успехом применяться и другие ионы-активаторы: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ с излучением в диапазоне 0,9…1,54мкм.

3.3. Преобразование частоты излучения в нелинейной среде . Явление удвоения и сложения частот световых волн состоит в следующем. При распространении света в среде под действием электрического поля электромагнитной волны Е , происходит соответствующее смещение атомных электронов относительно ядер, т.е. среда поляризуется. Поляризуемость среды характеризуется величиной электрического дипольного момента единицы объёма - р , связанного с величиной поля Е через диэлектрическую восприимчивость среды χ : . Если это поле невелико, то диэлектрическая восприимчивость χ = χ 0 = Const , р является линейной функцией от Е : , и смещение зарядов вызывает излучение с той же частотой, что и начальное излучение (“ линейная ” оптика).

При высокой мощности, когда электрическое поле излучения начинает превышать значение внутриатомного поля, поляризуемость становится нелинейной функцией Е : То есть кроме линейно зависящего от Е слагаемого при малых Е , когда мы имеем дело с линейной оптикой, в выражении для р появляется нелинейное относительно Е слагаемое (“ нелинейная ” оптика). В результате при распространении в среде волны “накачки” с частотой ν 0 и волновым вектором (где – показатель преломления среды), появляется новая волна – вторая оптическая гармоника с частотой и волновым вектором, а также ряд гармоник высших порядков. Очевидно, что энергия волны накачки с частотой будет наиболее эффективно перекачиваться в новую волну с частотой, если скорости распространения этих двух волн будут одинаковы, т.е. если имеет место т.наз. : . Выполнить это условие можно используя кристалл с двулучепреломлением, когда две волны распространяются под некоторым углом к его главной оптической оси.

При распространении в кристалле двух волн с частотами и и волновыми векторами и, кроме гармоник каждой из волн, в кристалле генерируется волна с суммарной частотой: , и волна с разностной частотой. Условие волнового синхронизма при этом имеет вид: .

Описанные явления в определённом смысле можно рассматривать как генерацию гармоник при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

3.4. Перестраиваемые лазеры на красителях . Лазеры на растворах сложных органических соединений (в т. ч. красителей: родаминов, кумаринов, оксазолов и др.) в спиртах, ацетоне и других растворителях, относятся к группе жидкостных лазеров. Такие растворы обладают интенсивными полосами поглощения при ОН и излучения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Основное их достоинство – широкая линия люминесценции (до 50…100нм), что даёт возможность плавно перестраивать рабочую частоту лазера в пределах этой линии.

Электронные состояния большинства красителей, используемых в таких лазерах, представляют собой широкие, до 0,1эВ, сплошные зоны энергии, получающиеся как результат сложения сотен “перекрывающихся” колебательных и вращательных подуровней, что приводит и к широким, как правило, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции, как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями (рис. 8,а). Между подуровнями “внутри” этих зон имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w ~10 10 …10 12 c –1 , а вероятности релаксационных переходов между электронными состояниями – на два-четыре порядка меньше (~10 8 c –1 ).

Генерация происходит по “четырёхуровневой” схеме на переходах молекулы красителя с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого синглетного электронного состояния S 1 (рис. 8,а), аналогах уровня «2» на диаграмме рис. 4 – на верхние подуровни основного электронного состояния S 0 , аналогах уровня «1». Аналогом уровня «0» являются нижние подуровни основного электронного терма, а аналогом вспомогательного уровня «3» – верхние колебательные подуровни возбужденного электронного терма S 1 .

Поскольку внутри электронных термов имеют место быстрые переходы, то распределение населённости состояний отвечает закону Больцмана: верхние под-уровни «3» и «1» являются слабо заселёнными, а нижние «0» и «2» – сильно заселёнными. Такое соотношение для уровней «0» и «3» определяет для них высокую эффективность ОН по каналу «0»→«3», а соотношение для уровней «2» и «1» –инверсию населённостей, усиление и генерацию на этом переходе.

Для получения узкой линии генерации, а также для возможности перестройки её по частоте в пределах широкой полосы люминесценции молекул красителя используют дисперсионный резонатор со спектрально-селектирующими элементами (призмами, дифракционными решётками, интерферометрами и др. (рис. 8,б).

Возможность перестройки по длине волны в пределах линии люминесценции (рис. 8, в ) без потери мощности определяется быстрыми безызлучательными переходами внутри электронных термов «2» и «1», вероятность которых превышает вероятность индуцированных переходов. Так, при настройке резонатора на какую-либо длину волны в пределах линии люминесценции перехода «2»→«1» возникает лазерное излучение на переходе между соответствующими подуровнями «2 ʹ » и «1 ʹ », в результате подуровень «2 ʹ » индуцированными переходами “очищается”, а «1 ʹ » – дополнительно заселяется. Однако за счёт ОН и быстрых переходов с соседних подуровней внутри терма населённость “генерирующего” подуровня «2 ʹ » непрерывно восстанавливается. Одновременно подуровень «1 ʹ » быстрыми переходами непрерывно очищается, релаксируя в конечном итоге в состояние «0». Таким образом, вся накачка верхнего электронного терма «2» становится накачкой перехода «2 ʹ »→«1 ʹ » и превращается в узкополосное монохроматическое лазерное излучение на частоте настройки дисперсионного резонатора, и эту частоту можно варьировать.

Помимо излучательных переходов S 1 → S 0 («2»→«1») существует и ряд переходов, снижающих эффективность генерации. Это переходы: S 1 → Т 1 , снижающие населённость уровней «2 ʹ », переходы Т 1 →«1», увеличивающие населённость уровней «1 ʹ », и переходы Т 1 → Т 2 , поглощающие лазерное излучение.

Лазеры на красителях бывают двух типов: с некогерентной (ламповой) оптической накачкой излучением импульсных ламп и импульсным режимом работы; а также с когерентной накачкой излучением лазеров других типов (газовых или твёрдотельных) при непрерывном, квазинепрерывном или импульсном режиме работы. Если в лазере применить смену красителей, а их известно больше тысячи, то таким способом можно “перекрыть” излучением всю видимую и часть ИК области спектра (0,33…1,8мкм). В лазерах с когерентной накачкой для получения непрерывного режима в качестве источников накачки используются ионные Ar - или Kr -газовые лазеры. Для накачки красителей в импульсном режиме применяют газовые лазеры на N 2 , парах меди, эксимерах, а также лазеры на рубине и неодиме с умножением частоты. Часто приходится использовать прокачку раствора красителя, благодаря чему из активной зоны выводятся молекулы, подвергшиеся диссоциации под действием излучения накачки, и вводятся свежие.

Лазеры на красителях, имея Δ ν неодн ~10 13 Гц и М>10 4 , позволяют в режиме пассивной синхронизации мод (см., раздел 3.3) осуществить генерацию ультракоротких импульсов излучения (τ~10 14 …10 13 c ).

Особую группу составляют лазеры на красителях с распределённой обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора играет структура с периодически изменяющимся показателем преломления и (или) усиления. Обычно она создается в активной среде под действием двух интерферирующих пучков накачки. РОС-лазер характеризуется узкой линией генерации (~10 2 см 1 ), которая может перестраиваться в пределах полосы усиления путём изменения угла между пучками накачки.

Среди сфер применений лазеров на красителях: фотохимия, селективная накачка квантовых состояний в спектроскопии, при разделении изотопов и др.

3.5 Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном . Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает и твёрдотельный лазер на кристалле корунда, активированного титаном (Al 2 O 3 : Ti 3+ ), называемом сапфиром .

Каждое электронное состояние Ti 3+ , состоит из большого числа «перекрывающихся» колебательных подуровней, что приводит к еще более широким, чем у красителя, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями. Внутри этих состояний имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w ~10 9 c 1 , при том, что вероятности релаксации между электронными состояниями имеют порядок 10 5 …10 6 c 1 .

Лазер на сапфире относится к группе т.наз. вибронных лазеров, отличающихся тем, что их основной электронный терм представляет собой полосу из колебательных подуровней (кристаллической решётки), благодаря чему лазер работает по четырёхуровневой схеме, и подобно лазеру на красителе создаёт возможность плавной перестройки генерации в диапазоне λ660…1180 нм. Полоса поглощения простирается от λ0,49мкм до λ0,54мкм. Малое время жизни возбужденного состояния «2» Ti 3+ делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера, которая, как правило, осуществляется непрерывным аргоновым лазером (λ488нм и λ514,5нм), второй гармоникой неодимового лазера (λ530нм) или импульсами излучения лазера на парах меди (λ510нм).

Несомненными достоинствами сапфирового лазера с титаном являются гораздо более высокая допустимая мощность накачки без деградации рабочего вещества и более широкая неоднородно уширенная линия люминесценции. В результате в режиме синхронизации мод получена последовательность импульсов с длительностью порядка десятков фемтосекунд (1фс=10 15 с), а с последующей компрессией (сжатием) импульсов в нелинейных волоконных световодах–до 0,6 фс.

3.6. Перестраиваемые лазеры на центрах окраски . Такие лазеры, как и рассмотренные выше твёрдотельные лазеры, в качестве активного вещества используют ионные кристаллы, но с центрами окраски, называемыми F - центрами , что позволяет осуществлять перестройку их излучения. Лазерные материалы для таких лазеров: кристаллы фторидов и хлоридов щелочных металлов (Li , Na , К, Rb ), а также фторидов Ca и Sr . Воздействие на них ионизирующих излучений: гамма-квантов, электронов высоких энергий, рентгеновского и жесткого УФ излучений, а также прокаливание кристаллов в парах щелочных металлов приводит к возникновению точечных дефектов кристаллической решётки, локализующих на себе электроны или дырки. Вакансия, захватившая электрон, образует дефект, электронная структура которого подобна структуре атома водорода. Такой центр окраски имеет полосы поглощения в видимой и УФ областях спектра.

Схема генерации лазера на центрах окраски аналогична схемам жидкостных лазеров на органических красителях. Впервые генерация вынужденного излучения на центрах окраски была получена в кристаллах К Cl - Li при импульсной оптической накачке. На данный момент генерация наблюдалась на большом числе различных центров окраски с ИКизлучением в импульсном и непрерывном режимах с когерентной ОН. Перестройка частоты излучения осуществляется с помощью дисперсионных элементов (призм, дифракционных решёток и др.), помещаемых в резонатор. Однако плохие термо- и фотостабильность препятствуют широкому применению таких лазеров.

3.7. Волоконные лазеры . Волоконными называют лазеры, резонатор которых построен на базе оптического волокна-волновода, являющегося и активной средой лазера, в котором генерируется излучение (рис. 9). Используется кварцевое волокно, легированное редкоземельными элементами (Nd , Ho , Er , Tm , Yb и др.), или пассивное волокно с использованием эффекта вынужденного рамановского рассеяния. В последнем случае оптический резонатор образует световод в сочетании с “брэгговскими” решётками показателя преломления, “встроенными” в волокно. Такие лазеры называют волоконными “ рамановскими ” лазерами. Излучение лазера распространяется внутри оптического волокна и поэтому резонатор волоконного лазера отличается простотой и не требует юстировки. В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию ультракоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов.

4. Параметрическая генерация света

Параметрическая генерация света (ПГС) осуществляется под действием лазерного оптического излучения накачки в твёрдых телах-кристаллах, обладающих нелинейными свойствами, и характеризуется достаточно высоким коэффициентом преобразования (десятки процентов). При этом удаётся плавно перестраивать частоту выходного излучения. В определённом смысле ПГС, как и рассмотренное выше явление умножения и сложения частот, можно рассматривать как генерацию перестраиваемого излучения при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

В основе явления ПГС, как и при умножении и сложении частот лежат нелинейно-оптические явления в средах. Рассмотрим случай, когда со средой, обладающей нелинейными свойствами и находящейся в открытом оптическом резонаторе (ООР), взаимодействует лазерное излучение достаточно высокой интенсивности, имеющее частоту ν 0 (накачка). За счёт накачки энергией этой волны в среде могут возникать две новые световые волны:

1) волна “шумовой” природы с некоторой частотой ν 1 ;

2) волна с разностной частотой (ν 0 – ν 1 ), которая является результатом нелинейного взаимодействия излучения накачки и случайного (шумового) волны с частотой ν 1 .

Причём частоты ν 1 и (ν 0 – ν 1 ) должны быть собственными частотами ООР и для всех трёх волн должно выполняться условие волнового синхронизма : . Другими словами, световая волна накачки с частотой ν 0 с помощью вспомогательной шумовой волны с частотой ν 1 , преобразуется в волну с частотой (ν 0 – ν 1 ).

Перестройка частоты излучения ПГС осуществляется путём подбором ориентации двулучепреломляющего нелинейного кристалла путём его вращения, т.е. изменения угла между его оптической осью и осью резонатора для того, чтобы выполнялось условие волнового синхронизма . Каждому значению угла отвечает строго определённая комбинация частот ν 1 и (ν 0 – ν 1 ), для которых в данный момент выполняется условие волнового синхронизма.

Для реализации ПГС могут использоваться две схемы:

1) “двухрезонаторная” схема, когда генерируемые волны с частотами ν 1 и (ν 0 – ν 1 ) возникают в одном ООР, при этом потери ООР для них должны быть малы;

2) “однорезонаторная” схема, когда в ООР генерируется только одна волна с частотой (ν 0 – ν 1 ).

В качестве активной среды может использоваться кристалл LiNbO 3 (ниобат лития), накачиваемый излучением второй гармоники ИАГ: Nd 3+ (λ0,53мкм) и плавную перестройку можно осуществлять в диапазоне до λ3,5мкм в пределах 10%. Набор оптических кристаллов с различными областями нелинейности и прозрачности позволяет осуществлять перестройку в ИК области до 16 мкм.

5. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковыми называют такие твёрдотельные лазеры, в которых в качестве активной среды (рабочего вещества) используются кристаллы полупроводников различного состава с инверсией населенностей на квантовом переходе. Решающий вклад в создание и усовершенствование таких лазеров внесли наши соотечественники Н.Г.Басов, Ж.И.Алфёров и их сотрудники.

5.1. Принцип действия . В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твёрдотельных), используются излучательные переходы не между изолированными энергетическими уровнями атомов, молекул и ионов, не взаимодействующих или слабо взаимодействующих между собой, а между разрешёнными энергетическими зонами кристалла. Излучение (люминесценция) и генерация вынужденного излучения в полупроводниках обусловлена квантовыми переходами электронов как между энергетическими уровнями зоны проводимости и валентной зоны, так и между уровнями этих зон и примесными уровнями: переходы донорный уровень–акцепторный уровень, зона проводимости – акцепторный уровень, донорный уровень – валентная зона, в том числе и через экситонные состояния. Каждой энергетической зоне соответствует очень большое (~10 23 …10 24 ) число разрешённых состояний. Поскольку электроны относятся к фермионам; то, например, валентная зона может быть полностью или частично заполнена электронами: с плотностью, убывающей снизу вверх по шкале энергий – подобно распределению Больцмана в атомах.

В основе излучения полупроводников лежит явление электролюминесценции . Фотон испускается в результате акта рекомбинации носителей заряда–электрона и “дырки” (электрон из зоны проводимости занимает вакансию в валентной зоне), при этом длина волны излучения определяется шириной запрещённой зоны . Если создать такие условия, что электрон и дырка перед рекомбинацией будут находиться в одной области пространства достаточно долгое время, и в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон с частотой, находящейся в резонансе с частотой квантового перехода, то он может индуцировать процесс рекомбинации с испусканием второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками, что и у первого фотона. Например, в собственных (“чистых”, “безпримесных”) полупроводниках, существует заполненная валентная зона и практически свободная зона проводимости. При межзонных переходах для возникновения инверсии и получения генерации необходимо создать избыточные неравновесные концентрации носителей заряда: в зоне проводимости – электронов, а в валентной зоне –дырок. При этом интервал между квазиуровнями Ферми должен превышать ширину запрещённой зоны, т.е. один или оба квазиуровня Ферми будут находиться внутри разрешённых зон на расстояниях не более kT от их границ. А это предполагает возбуждение такой интенсивности, чтобы было создано вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

Первые полупроводниковые лазеры использовали арсенид галлия (GaAs), работали в импульсном режиме, излучали в ИК диапазоне и требовали интенсивного охлаждения. Дальнейшие исследования позволили внести много существенных улучшений в физику и технику лазеров такого типа, и в настоящее время они излучают и в видимом, и в УФ диапазонах.

Вырождение полупроводника достигается путём его сильного легирования при высокой концентрации примеси, такой, что проявляются в основном свойства примеси, а не свойства собственного полупроводника. Каждый атом донорной примеси отдаёт в зону проводимости кристалла один из своих электронов. Напротив, атом акцепторной примеси захватывает один электрон, который был обобществлен кристаллом и находился в валентной зоне. Вырожденный n полупроводник получается, например, при внесении в GaAs примеси теллура (концентрация 3...5·10 18 см 3 ), а вырожденный p полупроводник – примеси цинка (концентрация 10 19 см 3 ). Генерация осуществляется на ИК длинах волн от 0,82 мкм до 0,9 мкм. Распространены и структуры, выращенные на подложках InP (ИК область λ1…3 мкм).

Полупроводниковый кристалл простейшего лазерного диода, работающего на “гомопереходе” (рис. 10), имеет вид очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом , где распространяется излучение. Верхний слой кристалла легируется для создания p области, а в нижнем слое создаётся n область. В результате получается плоский p n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла скалывают и полируют для образования гладких параллельных отражающих плоскостей, которые образуют открытый оптический резонатор -интерферометр Фабри-Перо . Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный в плоскости p n перехода перпендикулярно отражателям, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденные рекомбинационные переходы, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, т.е. излучение будет усиливаться, начнётся генерация. При этом лазерный луч будет формироваться за счёт неоднократного прохода по оптическому волноводу и отражения от торцов.

Важнейшим видом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекционная накачка. При этом активными частицами служат свободные носители заряда – избыточные неравновесные электроны проводимости и дырки, которые инжектируются в p-n -переход (активную среду), при пропускании через него электрического тока в “прямом” направлении при “прямом” смещении, уменьшающем высоту потенциального барьера. Это позволяет осуществить непосредственное преобразование электрической энергии (тока) в когерентное излучение.

Другими способами накачки служат электрический пробой (в т. наз. стримерных лазерах), накачка пучком электронов и оптическая накачка.

5.2. ДГС-лазеры . Если расположить слой с более узкой запрещённой зоной (активная область) между двумя слоями с более широкой запрещённой зоной, будет создана т.наз. гетероструктура . Лазер, её использующий, называют лазером на двойной гетероструктуре (ДГС-лазер, или “ double heterostructure ”, DHS - laser ). Такая структура образуется при соединении арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). Достоинство таких лазеров состоит в малой толщине среднего слоя – активной области, где локализуются электроны и дырки: свет дополнительно отражается от гетеропереходов, и излучение будет заключено в области максимального усиления.

Если с двух сторон кристалла ДГС-лазера добавить ещё два слоя с меньшим показателем преломления по сравнению с центральными, то образуется напоминающая световод структура, более эффективно удерживающая излучение (ДГС-лазер с раздельным удержанием , или “ separate confinement heterostructure ”, SCH S - laser ). Большинство лазеров, произведённых в последние десятилетия, изготовлены именно по такой технологии. Развитие современной оптоэлектроники, солнечной энергетики происходит на основе квантовых гетероструктур: в т.ч. с квантовыми “ямами”, квантовыми “точками”.

5.3. РОС- и ВРПИ-лазеры . В лазерах с распределённой обратной связью (РОС или “ distributed feedback ”– DFB laser ) в районе p - n перехода наносится система поперечных рельефных “штрихов”, образующих дифракционную решётку . Благодаря этой решётке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор, и на ней происходит генерация, т.е. осуществляется стабилизация длины волны излучения (лазеры для многочастотной волоконно-оптической связи).

Полупроводниковый “торцевой” лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла и называемый лазером “с вертикальным резонатором и поверхностным излучением” (ВРПИ-лазер, или “ vertical cavity surface - emitting ”: VCSE laser ), имеет симметричную диаграмму направленности излучения с малым углом расходимости.

В активной среде полупроводникового лазера может достигаться очень большое усиление (до 10 4 см -1 ), благодаря чему размеры активного элемента П. л. лазера исключительно малы (длина резонатора–50 мкм…1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: простота управления интенсивностью путём изменения величины тока, малая инерционность (~10 9 с), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне от УФ, видимого до среднего ИК. В то же время по сравнению с газовыми лазерами полупроводниковые отличаются относительно низкой степенью монохроматичности и когерентности излучения и не могут излучать на разных длинах волн одновременно. Полупроводниковые лазеры могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми (с большой шириной активной зоны). Многомодовые лазеры применяются в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие малой расходимости луча. Областями применений полупроводниковых лазеров являются: устройства обработки информации-сканеры, принтеры, оптические запоминающие устройства и др., измерительные устройства, накачка других лазеров, лазерные целеуказатели, волоконная оптика и техника.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике М.: Наука, 1988. 2-е изд., -336с.
2. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984, -395с.; 3-е изд. 1990, 560с.; 4-е изд. 1998, -540с.
3. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. -573с.
4. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд.МГУ, 2004. 2-е изд.- 656с.
5. Малышев В.А. Физические основы лазерной техники. М.: Высшая школа, 200 -543с.
6. Тарасов Л. В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981, -440с.
7. Яковленко С.И., Евтушенко Г.С. Физические основы квантовой электроники. Томск: Изд. ТГУ, 2006. -363с.
8. Иванов И.Г., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Ионные лазеры на парах металлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -256с.
9. Физическая энциклопедия. В 5 т. М.: «Российская энциклопедия». 1988-1998.
10. Иванов И.Г. Газовый разряд и его применение в фотонике. Учебное пособие. Ростов н/Д: Изд. ЮФУ, 2009. -96с.
11. Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Энциклопедия, 1991. -688с.
12. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. СПб.: Политехника, 1993. -216с.; Голикова Е.В., Привалов В.Е. Расчет линий поглощения для лазеров, стабилизированных по реперам йода. Препринт №53. С-Пб.: Институт Аналитического приборостроения РАН. 1992. -47c.
13. Калашников С.Г. Электричество. –М.: Физматлит. 2003. -624с.
14. Физическая энциклопедия // Химический лазер. URL : http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
15. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. Введение в новую область лазерной физики. – М.: Физматлит. 2008. -208 с .
16. Yanovsky V. et al. Optics Express. 2008. Vol. 16. N3, P.2109 - 2114 .