Принципы работы лазеров

Лазер - источник электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном (или индуцированном) излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).

Принцип работы лазера основан на трех фундаментальных идеях. Первая идея связана с использованием вынужденного (индуцированного) испускания света атомными системами. Вторая идея заключается в применении термодинамически неравновесных сред с инверсной заселенностью уровней, в которых возможно усиление, а не поглощение света. Третья идея состоит в использовании положительной обратной связи для превращения усиливающей системы в генератор когерентного излучения.

Рассмотрим свободный, не подверженный внешним влияниям атом излучающей среды, который находится в возбужденном состоянии. Тогда он спонтанно (самопроизвольно) может перейти из возбужденного состояния с энергией E₂ в основное (невозбужденное) состояние с энергией E₁. При этом будет испущен квант света - фотон с энергией Е_фотона = hn = E₂ – E₁, где n - частота испущенного излучения. Статистический, случайный характер процессов спонтанного излучения приводит к тому, что электромагнитные волны, испускаемые отдельными атомами обычных источников света, не согласованы друг с другом: они имеют разные фазы, направления распространения и поляризацию. Это означает, что спонтанное излучение обычных источников света некогерентно.

Вынужденное (индуцированное) излучение – это излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атомы среды переходят из возбуждённого состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбуждённым атомом может быть, если энергия фотона hn равна разности уровней энергий атома в возбуждённом и основном состояниях: Е_фотона = hn = E₂ – E₁ (рис. 1), где n - частота внешнего излучения. В этом случае после взаимодействия фотонов с атомом от атома будет распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т. е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет туже частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т. е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.

Рис.1

При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идёт процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбуждённое. В обычном состоянии невозбуждённых атомов в веществе значительно больше, чем возбуждённых, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет. Для того чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света имеет место в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбуждённому состоянию, больше, чем на нижних. Такое распределение атомов среды по энергетическим уровням называется инверсной заселённостью. Это состояние возможно только в случае термодинамически неравновесных сред.

Среда с инверсной заселенностью уровней, в которой происходит усиление, а не поглощение света, называется активной средой. По типу используемой активной среды лазеры делятся на газовые (например, гелий-неоновый, аргоновый и т. д.), жидкостные, твердотельные (рубиновый, стеклянный или сапфировый) и полупроводниковые (в них в качестве активного вещества исполь­зуется полупроводниковый переход).

Способы создания активной среды называются накачкой лазера. Существуют различные способы накачки лазеров - оптическая накачка (облучение рабочей среды твердотельных лазеров светом мощной лампы-вспышки), возбуждение электронным ударом (в газоразрядных лазерах), химическая накачка и т. д.

Для осуществления положительной обратной связи часть генерируемого излучения должна оставаться внутри активной среды и вызывать вынужденное испускание все новых и новых возбужденных атомов. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор. Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда. Зеркала могут быть плоскими, выпуклыми или вогнутыми. Важнейшее их свойство — высокие значения коэффициента отражения. Используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие сильным отражением и почти не поглощающие света. За счет многократного отражения световых волн, распространяющихся в активной среде, от зеркал оптического резонатора, обеспечивается их многократное усиление, вследствие чего достигается высокая мощность излучения.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера, который работает в непрерывном режиме в видимой области спектра. Основным элементом лазера является разрядная трубка, заполненная смесью газов – гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются атомами активной среды (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной заселённости атомов неона.

На рис. 2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2. Первый возбуждённый уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбуждённое состояние 3. Таким образом, в трубке создаётся активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной заселённостью уровней.

Рис.2

Спонтанный (самопроизвольный) переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем воздействии этих фотонов с возбуждёнными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hn.

Для увеличения мощности излучения трубку 1, заполненная смесью гелия и неона, помещают в оптический резонатор, образованный зеркалами 5 и 6 (см. рис. 3). Отражаясь от зеркал, поток фотонов проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается всё большее число атомов неона, и интенсивность генерируемого излучения лавинообразно возрастает.

Лазер работает в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркала резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении её вдоль трубки через активную среду. Поэтому очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – 98–99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим – около 0,2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Рис. 3

Энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, поэтому лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определённую длину волны.

Газоразрядная трубка 1 (рис. 3) с торцов закрыта плоско параллельными стеклянными пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в неё введены два электрода: анод 2 и катод 3. За счет прохождения через трубку электрического тока, в среде Не-Nе создается инверсная заселенность уровней.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исклю­чительной когерентностью и монохроматичностью.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз­ком интервале спектра кратковре­менно (в течение промежутка време­ни продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 7×10³ Вт/см², причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер­вал Dl=10^{-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2}. На­пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.