Типы лазеров

Лазеры, в основном, принято различать по природе активных сред и способу накачки. Активные элементы твердотельных лазеров, как правило, образованы прозрачными кристаллами или стёклами. Среди них, кроме уже названного рубина - гранат, фторид лития-натрия с примесью эрбия, александрит, кварцевое стекло. Для создания в иx энергетической структуре схемы с метастабильными уровнями кристаллы и стёкла активируют – в кристаллическую решётку при их изготовлении внедряют атомы (ионы) других элементов. Гранат (образованный изоморфными рядами окислов кремния и алюминия прозрачный кристалл сиреневого цвета) активируют, например, неодимом, титаном или иттербием, стекло активируют неодимом, используют также органические соединения, активированные редкоземельными элементами. Многие из этих материалов генерируют в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, например, гранат, активированный неодимом (Nd ³⁺: YAG), или неодимовое стекло излучают на длине волны 1.06 мкм.

Рабочей средой лазера может газ или смесь газов. Во многих лазерах на основе газовых сред накачка осуществляется за счёт энергии электрического разряда. Газовый лазер на смеси гелия и неона в настоящее время является одним из самых распространённых лазеров (первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 г. А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Герриоттом, исследователями из США). Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий является буферным газом - он участвует в механизме создания инверсной заселённости одного из верхних уровней неона. На рисунке 5 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рисунок 5 - Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Накачка лазерного перехода E ₄ → E ₃ в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояние E ₂. Возбуждённые атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состояние, и передают им свою энергию. Уровень E ₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E ₂ гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E ₄ неона возникает инверсная заселенность по отношению к уровню E ₃, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на уровни, расположенные ниже. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов.

Если ёмкость со смесью газов (обычно её основная часть - тонкий стеклянный цилиндр) помещена в оптический резонатор, то возникает лазерная генерация. На рисунке 6 изображена схема гелий-неонового лазера. Oтмeтим, чтo прозрачные основания цилиндрической трубки (I) скошены, угол наклона проходящего луча соответствует углу Брюстера – усиливаться в ходе генерации должны только волновые цуги, имеющие соответствующую одинаковую поляризацию. Лазер генерирует плоскополяризованный световой пучок.

Рисунок 6 - Схема гелий-неонового лазера: (I) – стеклянный цилиндр со смесью гелия и неона, в котором создаётся высоковольтный разряд; (II) – «глухое» сферическое зеркало с отражением r ₁, (пропускание менее 0,1 %) (III) – сферическое зеркало с отражением r ₂» 0.98, (IV) – катод; (V) – анод

Излучение He – Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Cчитается, что достижимый частотный диапазон, в котором способен излучать этот лазер (ширина спектральной линии генерации), должен составлять примерно Δ ν ≈ 5·10^–4 Гц - эта величина крайне мала.

Время когерентности электромагнитных колебаний в световом пучке такого источника оказывается порядка τ ≈ 1 / Δ ν ≈ 2·10³ с, а длина когерентности cτ ≈ 6·10¹¹ м, т. е. больше диаметра земной орбиты. На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He – Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины Δ ν / ν порядка 10^–14–10^–15, что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He – Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В oбpaзцe ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическим контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10² Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10: 1. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Рисунок 7 - Схема спектрального диапазона излучения лазеров на шкале длин волн. В основном, обозначены длины волн ряда газовых лазеров, на их фоне подчёркнутым шрифтом выделены длины волн для кристаллов (рубин, гранат) и некоторых полупроводников (нитрид галлия, арсенид галлия, селенид кадмия). Особо выделен видимый диапазон (~ 0.38…0.78 мкм). Элементы Cu и Cd присутствуют в газах в виде паров. Активную среду или её составляющую может образовать водяной пар или пар тяжёлой воды (D ₂ O) - на основе изотопа водорода дейтерия

Аналогичным образом устроен также, например, лазер на смеси гелия и паров кадмия, излучающий на стыке зелёного и синего участка в видимом диапазоне. По спектру излучения срéды газовых лазеров перекрывают довольно широкий диапазон длин волн - от микроволнового и ИК до ультрафиолетового (УФ) (см. схему на рисунке 7).

Среди других лазеров на газовых средах можно назвать газодинамические лазеры. Привлекательность динамических лазеров — в предельной простоте по­лучения инверсной заселенности уровней в газовом потоке, например при истечении, быстром последующем охлаждении и снижении давления нагретой смеси СО ₂— N ₂— Не (Н ₂ О) в сверхзвуковом сопле. При «газодинамической накачке» достигается быст­рое обновление активной среды, что и позволяет получать высокие уровни выходной мощности.

В химических газовых лазерах возбуждение активной среды создаётся энер­гией, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Чаще всего непосредственно после реакции те или иные атомы оказываются в возбуждённом состоянии - в результате безынерционно образуется инверсная заселённость. В качестве примера приведем лазер на фтористом водороде. Возбужденные молекулы HF * образуются в нем в процессе реакций F + H ₂ ® HF * + H и H + F ₂ ® HF *+ F. Большая оптическая однородность среды позволяет получать лазерное излучение с очень высокой моно­хроматичностью, когерентностью и малым углом расходимости. Газодинамические и химические лазеры излучают в ИК диапазоне.

Активной средой газовых лазеров, называемых эксимерными и получивших особое применение в медицине, служат комплексы атомов (эксимеры), существующие только в воз­буждённом состоянии. Лазерное излучение возникает при переходе эксимера в нижнее электронное состояние, после чего он распадается. Эксимерные лазеры работают, как правило, в УФ области спектра. К числу эксимеров относятся Хе * (c УФ длиной волны 172 нм), Аr *(c УФ длиной волны 126 нм), АrО * (с длиной волны в зелёной области 558 нм).

Группой белорусских физиков в 70-х гг. под руководством академика Б.И.Степанова была вначале предсказана возможность, а затем осуществлена генерация на растворах красителей. Её важным свойством оказалась возможность управления длиной волны излучаемого света в ходе генерации. Эти лазеры, получившие название перестраиваемых, позволяли получать излучение на любой длине волны в широком диапазоне УФ, видимого и ИК спектра. Работая на одном приборе, можно легко произвести настройку лазерного излучения на заданный спектральный интервал. Для накачки красителей используется излучение лазеров на активированных кристаллах или полупроводниках, а также свечение обычных газоразрядных ламп.

В ряде областей применения лазеров, таких, например, как световодная связь, системы записи, считывания и обработки информации, необходимо иметь лазерные устройства, характеризующиеся малым энергопотреблением, малой массой и малыми габаритами. В этих случаях очень удобны полупроводниковые лазеры. Активным элементом полупроводникового лазера является образец полупроводника (кристалл, твёрдый раствор, слоистая система - так называемая гетероструктура), возбуждаемый электрическим током, пучком электронов вы­сокой энергии или просто электрическим разрядом. В полупроводниковых лазерах показатель усиления очень велик, и именно поэтому лазерный эффект достигается в довольно компактных образцах (доли миллиметра), оптический резонатор образован отражением на гранях (сколах) элемента. Значение максимально достижимой мощности определяется в них стойкостью излучающей поверхности лазера.

Излучение полупроводниковых лазеров лежит чаще всего в ИК области спектра. Длину их волны можно варьировать изменением температуры, давления, внешнего электрического поля.