Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Впервые вынужденное излучение наблюдалось в 1939 г. русским физиком В.А.Фабрикантом в эксперименте с парами ртути. В 1951 г. было зарегистрировано авторское свидетельство, в котором предлагался способ генерации и усиления электромагнитного излучения за счёт индуцированного излучения. С этого момента в физике возникло новое направление – квантовая электроника. На практике первый принципиально новый генератор электромагнитного излучения в микроволновом (СВЧ) диапазоне (мазер) сконструирован в 1955 году русскими учёными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским учёным И. Таунсом. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году Т. Мейманом был построен первый генератор, работающий в оптическом диапазоне (лазер), с рубином в качестве рабочего вещества. А спустя несколько месяцев другой американский учёный А. Джаван создал первый газовый лазер. В качестве активной среды он использовал смесь газов гелия и неона.

Функциональная схема любого лазера обязательно включает в себя три основных компонента:

1. Активную среду (рабочее вещество, рабочее тело). По этому признаку лазеры делятся на газовые, жидкостные, твёрдотельные и полупроводниковые.

2. Систему накачки (способ создания инверсной населённости). Различают оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. методы накачки.

3. Оптический резонатор (устройство, формирующее выходящий из лазера световой пучок). Резонатор представляет собой систему зеркал, призм и некоторых других деталей. В твёрдотельных лазерах зеркалами обычно служат специально обработанные торцы активного тела, которое имеет вид стержня. Оптический резонатор фиксирует направление, в котором происходит генерация излучения, и обеспечивает выбор той длины волны, которую предполагают усилить.

Рассмотрим принцип получения индуцированного излучения на примере рубинового лазера (рис.3). Рубин – это кристаллическая окись алюминия Al₂O₃ с примесью трехвалентных ионов хрома Cr³⁺ (0,03 – 0,05%).

Рабочим телом этого лазера является кристалл рубина в виде стержня цилиндрической формы, со строго параллельными тщательно отшлифованными торцами (образуют зеркальный резонатор). Один торец покрыт толстым слоем серебра и непрозрачен для света. Толщину покрытия другого торца подбирают таким образом, чтобы оно было полупрозрачным для испускаемого лазером излучения. Длина стержня ограничена. Использование рубина длиной более 30 см не целесообразно, т.к. усложняется накачка атомов и фокусировка излучения.

В рубиновом лазере применяется оптическая накачка активной среды. С этой целью используется импульсная ксеноновая лампа, в виде спирали, обвивающей рубиновый стержень. Плазма, возникающая в лампе в результате электрического разряда, излучает мощный импульс света, который проникает в рубиновый стержень и возбуждает атомы хрома. Из всего потока света атомы хрома поглощают фотоны только с длиной волны λ = 560 нм (соответствуют зелёному цвету), в результате чего переходят с энергетического уровня 1 на уровень 3.

Время жизни в возбуждённом состоянии на этом уровне ~10^-8 с. После чего происходит спонтанный переход на уровень1 или, что наиболее вероятно, безизлучательный переход на более низкий уровень 2. Энергия безизлучательного перехода 3→2 превращается в тепловую энергию кристаллической решётки рубина. Переход 2→1 запрещён правилами отбора. Это означает, что спонтанные переходы 2→1 маловероятны, т.е. уровень 2 является метастабильным. Время жизни в возбуждённом состоянии 2 порядка 10^-3 с. Это примерно в 100 000 раз больше, чем в состоянии 3. При достаточной мощности накачки на уровне 2 будет создано состояние с инверсной населённостью. Теперь каждый случайно родившийся при спонтанном переходе 2→1 фотон может вызвать лавину индуцированных переходов 2→1, в результате чего появятся вторичные фотоны, точная копия первичных. Зарождается когерентное индуцированное излучение с длиной волны соответствующей переходу 2→1 (λ = 694,3 нм).

Индуцированное излучение возникает одновременно во множестве точек рабочего тела лазера. Т.к. первичные фотоны, инициирующие этот процесс, испускаются в разных направлениях, то и вынужденное излучение будет распространяться в самых разных направлениях. Потоки вторичных фотонов, направленных под углом к оси рубинового стержня выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же фотоны, которые будут двигаться параллельно оси стержня, испытают многократное отражение от зеркальных торцов рабочего тела лазера. При каждом отражении поток фотонов будет нарастать. В конечном итоге резонатор сформирует когерентный строго направленный пучок огромной яркости, который выйдет из лазера через полупрозрачное зеркало.

Как и большинство твёрдотельных оптических квантовых генераторов, лазер на рубине работает в импульсном режиме. Средняя мощность излучения около 1Вт, коэффициент полезного действия до 2%.

Наряду с кристаллическими, в настоящее время широкое распространение получили газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется газ или смесь газов. Характерным для таких лазеров является непрерывность режима излучения.

В первом газовом лазере (рис.5) в качестве активной среды использовали смесь газов гелия и неона, которыми в пропорции 10: 1 заполняли кварцевую газоразрядную трубку. Накачка газа производилась с помощью высокочастотного (ВЧ) генератора, который создаёт между вмонтированными в трубку электродами (катод 1 и анод 5) тлеющий разряд. Резонатор представляет собой два параллельных зеркала 6 установленных вне газоразрядной трубки перпендикулярно её оптической оси 00. Выходные окна 5 располагаются так, что перпендикуляр к их плоскости составляет с осью 00 угол Брюстера. Благодаря этому получают высокомонохроматическое, плоскополяризованное излучение и, кроме того, практически исключают потери на отражение от поверхностей выходных окон трубки. 2 – поглотитель посторонних газов. Процесс генерации излучения происходит в рабочем капилляре 4 газоразрядной трубки (d = 1÷10мм). Активными центрами являются атомы неона.

Генерация лазерного излучения происходит при переходе атомов неона из возбуждённого состояния 3 на один из нижележащих уровней 2 (рис.6). Для этого необходимо увеличить населённость уровня 3 и уменьшить её на уровне 2. Гелий играет вспомогательную роль – способствует созданию инверсной заселённости рабочих уровней атомов неона. Накачка осуществляется в два этапа (рис.6). Электрический разряд возбуждает атомы гелия (Не), переводя их на метастабильный уровень 3^*. Т.к. первый возбуждённый уровень 3^* гелия практически совпадает с уровнем 3 неона, то при неупругих соударениях возбуждённые атомы гелия передают свою энергию атомам неона, а сами возвращаются в исходное состояние. В результате этого атомы неона из основного состояния переходят на уровень 3. Т.к. атомов гелия больше и их уровень 3^* метастабильный, то на уровне 3 неона удаётся создать состояние инверсной населённости.

Разгрузка уровня 2 осуществляется путём подбора диаметра газоразрядной трубки. Его подбирают таким, чтобы соударение атомов неона со стенками трубки стимулировало их переход из состояния 2 в основное состояние 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населённость рабочих уровней 2 и 3 неона.

Верхние уровни неона (2, 3) обладают сложной структурой, они состоят из множества подуровней. Существует около 30 разрешённых правилами отбора переходов с подуровней 3 на подуровни 2. Поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на многих длинах волн в области видимого и инфракрасного излучения. Выбор длины волны осуществляется с помощью резонатора. Резонатор создаёт условия для самовозбуждения и поддержки генерации только одной выбранной длины волны. Так, например, первый гелий-неоновый лазер излучал длину волны 1,153 нм. Примерно через два года была открыта генерация в области видимого света на длине волны 632,8 нм. Мощность излучения, испускаемого гелий-неоновым лазером, порядка 10 мВт, коэффициент полезного действия около 0,1 %.