Усиление света в инверсных средах

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n₂ > n₁, т. е. создать инверсную заселённость уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана советским физиком В.А. Фабрикантом в 1940 г. В 1954 г. явление индуцированного испускания было реализовано учёными из Физического Института АН СССР Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них - исследователем из США Ч. Таунсом в опытах по созданию микроволнового генератора радиоволн с длинойволны λ = 1,27 см. В 1964 году за разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн все трое исследователей были удостоены Нобелевской премии.

Среда, в которой создана инверсная заселённость уровней, называется активной (усиливающим элементом). Она можетслужить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света и егосвойства были непрерывными, необходимоиспользовать обратную связь - частично возвратить сигнал назад в устройство для его дальнейшего усиления. Поэтому активную среду располагают между двумя высококачественными зеркалами (рисунок 2), отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошёл через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. Система, образованная двумя такими отражателями, представляет собой оптический резонатор. Суть его использования именно в искусственном удлинении пути, проходимого светом внутри усиливающего элемента. Многократное повторение процесса усиления, возникающее при наличии зеркал, по своему эффекту эквивалентно существенному увеличению длины активного стержня. Одно из зеркал (r ₀) обычно полностью отражает излучение, другое (r) - частично пропускает свет. В каждом цикле при подходе к правому зеркалу (1- r)×100% световых квантов выходит наружу. Так как между зеркалами создаются очень большие плотности лучистой энергии, то поток, выходящий за пределы резонатора, будет значителен. Этот поток и образует лазерный пучок света (IV). В то же время излучение, которое идёт под наклонными углами к оси резонатора (V), выходит из активной среды без заметного усиления. Усиливаться способны только те лучи, направление которых совпадает с горизонтальной линией – осью резонатора Оx. B итоге формируется световой пучок с крайне малой расходимостью и плоским волновым фронтом.

Рисунок 2 - Схема лазера: (I) - активная среда длины l, (II) - резонатор, образованный двумя плоскими параллельными зеркалами, (III) - система накачки. Ha схемe указан пучок выходного излучения лазера (IV) и луч (V), идущий под значительным углом к оси резонатора и «сбегающий» с зеркал

Для генерации инверсную заселённостьуровней следует непрерывно поддерживать в усиливающем элементе, размещённом в лазерном резонаторе. Расстояние между энергетическими уровнямиактивнойсреды Е ₁, Е ₂ должно соответствовать ультрафиолетовой, видимой или ближней инфра­красной областям спектра (по правилучастотБора ). На верхних уровнях рабочего перехода обычно слишком мало частиц, для создания инверсной населенности энергия должна подаваться на систему извне. Обеспечивающий непрерывность инверсии населённостей процесс именуют накачкой, система (устройство), которой устанавливается накачка, является важнейшим компонентом схемы лазера как оптического прибора.

Начало лавинообразному процессу в резонаторе при определенных условиях может положить случайное испускание резонансного фотона (например, в результате спонтанного акта люминесценции), с которого «стартует» генерация излучения, направленного вдоль оси системы резонатора. Излучение генерации выводится наружу через зеркала резонатора. Именно генерация электромагнитного поля светового излучения и есть явление, характеризующее лазер как прибор - особый источник света.

Инверсия образуется в активном элементе в результате поглоще­ния световых квантов или энергии потока электро­нов, переводящих систему в возбужденное состояние. В первом случае говорят об оптической, во втором — об электрической накачке. Для оптического возбуждения обычно применяют импульсные газоразрядные лампы большой мощности (пример­но 2-20 кДж за 0,0001…0,001 с). В последнее время для оптической накачки используют радиацию другого лазера. Применяется также хи­мическая накачка. Она возможна, если в процессе химической реакции возникают молекулы, находя­щиеся в возбуждённом состоянии.

При оптиче­ской накачке возбуждение системы резонансным излучением частоты w ₁₂ приводит к тому, что даже при очень больших интенсивностях падающей радиации на верхний уровень попадает не более половины всех частиц - инверсная заселенность уровней не образуется. Поэтому при оптической накачке надо пользоваться многоуровневыми системами. Простейшая из них — трехуровневая — предложена впервые Н.Г.Басовыми А.М.Прохоровым (1955г.). Вэтомслучае для образованияинверсиине требуется чрезмерно больших яркостей внешнего источника.

На рисунке 3, a изображена типичная схема трех уров­ней, позволяющая наглядно разъяснить сущность происходящих процессов. Весьма важно, чтобы уровень 2был метастабилен. Это означает, что вероятность перехода между уровнями 2 и 1 (в канале 2Þ1)должна быть значительно меньше вероятности перехода 3Þ2. Такая ситуация реализуется, например, в рубине - первом из материалов, использованных для создания лазеров в видимой области спектра. Рубин представляет собой прозрачный диэлектрический кристалл Аl ₂ О ₃ с примесью ионов хрома Сr ³⁺. Переход 3Þ2в ионах хрома осуществляется неоптически с передачей энергии в кристаллическую решетку. Если возбуждать уровень 3светом с частотой w ₁₃, то значительная часть ионов перейдет в состояние 2. Так как вероятность перехода 2Þ1мала, то ионы хрома будут накапливаться на уровне 2. При достаточно большой интен­сивности поля излучения накачки число частиц на уровне 2может превысить число частиц на исходном уровне 1. В результате образуется инверсия населенностей в канале 2Þ1 и может быть выполнено условие, необходимое для возникновения усиления на частоте w ₁₂.

Рисунок 3 - Инверсия в схеме с тремя (а) и четырьмя уровнями (б). Волнистыми горизонтальными линиями в схемах обозначены каналы генерации

Для создания инверсии в рубине, на уровень 2нужно перевести более половины частиц. Если использовать системы с четырьмя рабочими уровня­ми, то ситуация упрощается. К их числу относятся, в частности, неодимовое стекло и кристалл алюмоиттриевого граната с примесью ионов неодима (Nd: YAG). Схема основных уровней ионов Nd ³⁺ изображена на рисунке 3, б. До возбуж­дения подавляющее число частиц находится на исходном уровне. Накачка осуществляется радиацией частоты w ₁₄. После этого возникает неоптиче­ский переход частиц с уровня 4на метастабильный уровень 3, где и происходит накопление частиц. Поскольку число частиц на уровне 2ничтожно малó, то инверсная заселенность уровней канала 3Þ2создается при переводе на уровень 3 даже неболь­шого количества частиц, поэтому в схеме с четырьмя уровнями создание инверсии происходит гораздо динамичнее и достижимо большее усиление при относительно более низком уровне возбуждения. В целом же, коэффициент преобразования мощности накачки в мощность когерентного излучения в лазерах на люминесцентных кристаллах невысок - 5-7%.

Инверсная заселённость легко образуется также за счет энергии электронов. Это происходит, напри­мер, в лазере на смеси гелия и неона. При столкно­вении быстро движущихся электроновс атомами гелия происходит переход атомов гелия в возбуж­денное состояние. Возбужденные атомы гелия стал­киваются с атомами неона и передают им свою энергию возбуждения. Так как число уровней у ато­ма неона велико, то легко находятся незаселённые уровни, энергия которых ниже энергии возбужденного состояния. Именно так и образуется способ­ность неона к усилению возникающего при люминесценции излучения.

К настоящему времени предложено множество новых способов образова­ния инверсной заселённости. К ней приводит, как правило, резкое нарушение термодинамического равновесия в системе, например при внезапном из­менении давления газа. Число систем, в которых удалось образовать инверсную заселенность уровней, сравнительно невелико, хотя и составляет сейчас уже несколько тысяч. Кним относятся рубин, неодимовоестекло, гранат, фторидлития—натрия с примесью эрбия, александрит, смесь гелия и неона, ксенон, криптон, аргон, водород, окись углерода, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород, довольно широкий ряд полупровод­ников, растворы и пары красителей...

Усиливающие элементы в разных лазерах различны. Уодних элемент представляет собой кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической формы. У других - это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь. У третьих - кювета со специальной жидкостью. Соответственно различают лазеры твердотельные, газовые и жидкостные. Основу структуры активного элемента твердотельного лазера в физике именуют матрицей - это кристалл диэлектрикаилистекло. Всоставе матрицы главную роль играютатомы (или, точнее, ионы), специально вводимые в виденебольшойпримесив кристалл в процессе его изготовления. Их называют активными центрами. Любой из лазеров имеет активный элемент, в структуре активного элемента есть активные центры. Именно в них зарождается лазерное излучение. Можно сказать, что когерентный лазерный пучок возникает как суммарный эффект синхронного высвечивания огромного множества активных центров.

Cлeдyeт отметить, что у полупроводниковых лазеров (где активный элемент - кристаллик полупроводника или контакт из двух полупроводников разного типа) активных центров нет; излучение рождается здесь в результате соответствующих изменений состояния электронного коллектива. Bпервые генерация в полупроводниковых средах была осуществлена группой исследователей из Физического Института АН СССР во главе с А.М.Прохоровым.