Як називається речовина, що наповнює лазер. Пристрій та застосування лазера. Що таке лазер

У такій схемі (рис. 1) нижнім лазерним рівнем "1" є основний енергетичний стан ансамблю частинок, верхнім лазерним рівнем "2" є відносно довготривалий рівень, а рівень "3", пов'язаний з рівнем "2" швидким безвипромінювальним переходом, є допоміжним . Оптична накачка діє каналом "1">"3".

Рис. 1. "Трирівнева" схема при оптичному накачуванні

Знайдемо умову існування інверсії між рівнями "2" та "1". Вважаючи статистичні ваги рівнів однаковими g1=g2=g3, запишемо систему кінетичних (балансних) рівнянь для рівнів "3" та "2" у стаціонарному наближенні, а також співвідношення для кількості частинок на рівнях:

де n1, n2, n3 - концентрації частинок на рівнях 1, 2 і 3, Wn1 і Wn3 - швидкості поглинання та індукованого випромінювання на переходах між рівнями "1" та "3" під дією випромінювання накачування, ймовірність якої W; wik - ймовірність переходів між рівнями, N-повне число активних частинок в одиниці об'єму.

З (2) можна визначити населеності рівнів n2 і n1, як функцію W, та його різниця Дn як

яка визначає ненасичений коефіцієнт посилення б0 ансамблю частинок на переході "2">"1". А, щоб б0>0, необхідно, щоб, тобто. чисельник (3) повинен бути позитивним:

де Wпор - пороговий рівень накачування. Оскільки завжди Wпор>0, то звідси випливає, що w32>w21, тобто. ймовірність накачування рівня "2" релаксаційними переходами з рівня "3" повинна бути більшою за ймовірність його релаксації в стан "1".

У разі якщо

w32 >>w21 та w32 >>w31, (5)

то з (3) отримаємо: . І, нарешті, якщо W>>w21, то інверсія Дn буде: Дn?n2?N, тобто. на рівні "2" можна "зібрати" всі частки середовища. Зауважимо, що співвідношення (5) для швидкостей релаксації рівнів відповідають умовам генерації "пічків" (див. Розділ 3.1).

Таким чином, у трирівневій системі з оптичним накачуванням:

1) інверсія можлива, якщо w32>>w21 і максимальна коли w32>>w31;

2) інверсія виникає за W>Wпор, тобто. виробництво має пороговий характер;

3) при невисоких w21 створюються умови для "пічкового" режиму вільної генерації лазера.

Цей твердотільний лазер є першим лазером, який заробив у видимому діапазоні довжин хвиль (Т.Мейман, 1960). Рубіном називають синтетичний кристал Аl2O3 модифікації корунд (матриця) з домішкою 0,05% іонів-активаторів Cr3+ (концентрація іонів ~1,6 1019 см_3), і позначається як Аl2O3:Cr3+. Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою з ОН (рис. 2, а). Лазерними рівнями є електронні рівні Cr3+: нижній лазерний рівень "1" є основним енергетичним станом Cr3+ в Аl2O3, верхній лазерний рівень "2" - довготривалий метастабільний рівень з ф2~10_3с. Рівні "3а" та "3б" є допоміжними. Переходи "1">"3а" і "1">"3б" належать до синьої (л0,41мкм) та "зеленої" (л0,56мкм) частин спектру, і являють собою широкі (з Дл~50нм) контури поглинання (смуги ).

Рис. 2. Рубіновий лазер. (а) - Діаграма енергетичних рівнів Cr3+ Al2O3 (корунді); (Б) - конструктивна схема лазера, що працює в імпульсному режимі з модуляцією добротності. 1 - рубіновий стрижень, 2 - лампа накачування, 3 - еліптичний відбивач, 4а - нерухоме дзеркало резонатора, 4б - дзеркало резонатора, що обертається, модулююче добротність резонатора, Сн - накопичувальний конденсатор, R - зарядний резистор , "Кн" лампу; показаний вхід та вихід охолоджуючої води.

Метод оптичного накачування забезпечує селективне заселення допоміжних рівнів "3а" і "3б" Cr3+ каналом "1">"3" іонами Cr3+ при поглинанні іонами Cr3+ випромінювання імпульсної ксенонової лампи. Потім порівняно малий час (~10_8 з) відбувається безвипромінювальний перехід цих іонів з "3а" і "3б" - на рівні "2". Енергія, що виділяється при цьому, перетворюється на коливання кристалічної решітки. При достатньої щільності з енергії випромінювання джерела накачування: коли і на переході "2">"1" виникає інверсія населеностей і генерація випромінювання в червоній області спектра на л694,3нм і л692,9 нм. Порогова величина накачування з урахуванням статвесів рівнів відповідає перекладу на рівень "2" близько? всіх активних частинок, що за накачуванні з л0,56 мкм вимагає питому енергію випромінювання Епор>2Дж/см 3 (і потужність Рпор>2кВт/см 3 при тривалості імпульсу накачування ф?10_3c). Таке високе значення, що вкладається в лампу, і рубіновий стрижень потужності при стаціонарній ВІН може призвести до його руйнування, тому лазер працює в імпульсному режимі і вимагає інтенсивного водяного охолодження.

Схема лазера показано на рис. 2,б. Лампа накачування (лампа-спалах) і рубіновий стрижень для підвищення ефективності накачування розташовуються всередині відбивача з циліндричною внутрішньою поверхнею і перетином у формі еліпса, причому лампа та стрижень розташовуються у фокальних точках еліпса. В результаті все випромінювання, що виходить із лампи, виявляється сфокусованим у стрижні. Імпульс світла лампи виникає при пропусканні через неї імпульсу струму шляхом розряду накопичувального конденсатора в момент замикання контактів кнопкою "Кн". Охолодна вода прокачується всередині відбивача. Енергія випромінювання лазера в імпульсі досягає кількох джоулів.

Імпульсний режим роботи цього лазера може бути одним з наступних (див. Розділ 3):

1) режим "вільної генерації" при малій частоті повторення імпульсів (зазвичай 0,1-10 Гц);

2) режим "модульованої добротності", зазвичай оптико-механічний. На рис. 2,б модуляція добротності ОРМ здійснюється шляхом обертання дзеркала;

3) режим "синхронізації мод": при ширині лінії випромінювання Дннеодн~1011Гц,

число поздовжніх мод М~102, тривалість імпульсу ~10 пс.

Серед застосувань рубінового лазера: голографічні системи запису зображень, обробка матеріалів, оптичні далекоміри та ін.

Широко застосовується в медицині та лазер на BeAl2O4:Cr3+ (хризобериллі, легованому хромом, або олександрит), що випромінює в діапазоні 0,7-0,82 мкм.

Складно в наш час знайти людину, яка ніколи не чула б слова «лазер»Проте чітко уявляють, що це таке, дуже мало.

За півстоліття з моменту винаходу лазери різних видів знайшли застосування у широкому спектрі напрямків, від медицини до цифрової техніки. Так що ж таке лазер, який принцип його дії, і для чого він потрібний?

Що таке лазер?

Можливість існування лазерів була передбачена Альбертом Ейнштейном, який ще в 1917 опублікував роботу, що говорить про можливість випромінювання електронами квантів світла певної довжини. Це було названо вимушеним випромінюванням, але тривалий час воно вважалося нереалізованим з технічного погляду.

Однак з розвитком технічних та технологічних можливостей створення лазера стало справою часу. У 1954 році радянські вчені Н. Басов та А. Прохоров отримали Нобелівську премію за створення мазера – першого мікрохвильового генератора, що працює на аміаку. А 1960 року американець Т. Мейман виготовив перший квантовий генератор оптичних променів, названий ним лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Пристрій перетворює енергію на оптичне випромінювання тонкої спрямованості, тобто. світловий промінь, потік квантів світла (фотонів) високої концентрації.

Принцип функціонування лазера

Явище, у якому заснована робота лазера, називається вимушеним, чи індукованим, випромінюванням середовища. Атоми певної речовини можуть випромінювати фотони під дією інших фотонів, при цьому енергія фотона, що впливає, повинна бути рівною різниці між енергетичними рівнями атома до випромінювання і після нього.

Випромінений фотон є когерентним тому, що викликав випромінювання, тобто. точно подібний до першого фотону. Через війну слабкий потік світла середовищі посилюється, причому не хаотично, а одному заданому напрямі. Утворюється промінь вимушеного випромінювання, яке отримало назву лазера.

Класифікація лазерів

У міру дослідження природи та властивостей лазерів були відкриті різні види цих променів. За видом стану вихідної речовини лазери можуть бути:

газовими;
рідинними;
твердотільні;
на вільних електронах.

В даний час розроблено кілька способів отримання лазерного променя:

з допомогою електричного тліючого чи дугового розряду у газовому середовищі – газоразрядные;
за допомогою розширення гарячого газу та створення інверсій населення – газодинамічні;
за допомогою пропускання струму через напівпровідник із збудженням середовища – діодні чи інжекційні;
шляхом оптичного накачування середовища лампою-спалахом, світлодіодом, іншим лазером тощо;
шляхом електронно-променевого накачування середовища;
ядерним накачуванням при надходженні випромінювання з ядерного реактора;
з допомогою спеціальних хімічних реакцій – хімічні лазери.

Всі вони мають свої особливості та відмінності, завдяки яким знаходять застосування в різних сферах промисловості.

Практичне використання лазерів

На сьогоднішній день лазери різних типів застосовуються у десятках галузей промисловості, медицини, IT технологій та інших сфер діяльності. З їх допомогою здійснюються:

різання та зварювання металів, пластмас, інших матеріалів;
нанесення зображень, написів та маркування поверхні виробів;
свердління надтонких отворів, прецизійна обробка напівпровідникових кристалічних деталей;
формування покриттів виробів напиленням, наплавленням, поверхневим легуванням тощо;
передача інформаційних пакетів за допомогою скловолокна;
виконання хірургічних операцій та інших лікувальних впливів;
косметологічні процедури омолодження шкіри, видалення дефектних утворень та ін;
наведення на мету різних видів озброєнь, від стрілецької до ракетної зброї;
створення та використання голографічних методів;
застосування у різних науково-дослідних роботах;
вимірювання відстаней, координат, щільності робочих середовищ, швидкості потоків та багатьох інших параметрів;
запуск хімічних реакцій щодо різноманітних технологічних процесів.

Існує ще чимало напрямків, у яких лазери вже використовуються або знайдуть застосування найближчим часом.

Інверсію населення в лазерах створюють у різний спосіб. Найчастіше для цього використовують опромінення світлом (оптичне накачування), електричний розряд, електричний струм, хімічні реакції.

Для того, щоб від режиму посилення перейти до режиму генерації світла, лазер, як і в будь-якому генераторі, використовують зворотний зв'язок. Зворотний зв'язок у лазері здійснюється за допомогою оптичного резонатора, який у найпростішому випадку є пара паралельних дзеркал.

Принципова схема лазера показано на рис. 6. Вона містить активний елемент, резонатор, джерело накачування.

Лазер працює в такий спосіб. Спочатку джерело накачування (наприклад, потужна лампа - спалах), впливаючи на робочу речовину (активний елемент) лазера, створює у ньому інверсію населення. Потім інвертоване середовище починає спонтанно випромінювати кванти світла. Під дією спонтанного випромінювання починається процес вимушеного випромінювання світла. Завдяки інверсії населення цей процес носить лавиноподібний характер і призводить до експоненційного посилення світла. Потоки світла, що йдуть у бокових напрямках, швидко залишають активний елемент, не встигаючи набрати значної енергії. У той же час світлова хвиля, що розповсюджується вздовж осі резонатора, проходить багаторазово через активний елемент, безперервно набираючи енергію. Завдяки частковому пропусканню світла одним із дзеркал резонатора випромінювання виводиться назовні, утворюючи лазерний промінь.

Рис.6. Принципова схема лазера. 1 активний елемент; 2- система накачування;

3-оптичний резонатор; 4-генероване випромінювання.

§5. Пристрій та робота гелій-неонового лазера

Рис.7. Принципова схема гелій – неонового лазера.

1). Лазер складається з газорозрядної трубки Т завдовжки від кількох десятків див. до 1,5-2м та внутрішнім діаметром 7-10мм. Трубка наповнена сумішшю гелію (тиск ~ 1мм рт.ст.) та неону (тиск ~ 0,1мм рт. ст.). Кінці трубки закриті плоскопаралельними скляними або кварцовими пластинками Р 1 і Р 2 установленими під кутом Брюстера до її осі. Це створює лінійну поляризацію лазерного випромінювання з електричним вектором, паралельним площині падіння. Дзеркала S 1 і S 2 між якими поміщається трубка, робляться зазвичай сферичними з багатошаровими діелектричними покриттями. Вони мають високі коефіцієнти відбиття та практично не поглинають світло. Пропускання дзеркала, через яке переважно виходить випромінювання лазера, зазвичай становить 2%, іншого - менше 1%. Між електродами трубки прикладається постійна напруга 1-2кВ. Катод До трубки може бути холодним, але для збільшення розрядного струму застосовують також трубки з пустотілим циліндричним анодом, катод яких нагрівається низьковольтним джерелом струму. Розрядний струм у трубці становить кілька десятків міліампер. Лазер генерує червоне світло з довжиною хвилі =632,8 нм і може також генерувати інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль 1,15 і 3,39 мкм (див. рис. 2). Але тоді необхідно мати торцеві вікна, прозорі для інфрачервоного світла та дзеркала з високими коефіцієнтами відображення в інфрачервоній області.

2). У лазерах індуковане випромінювання використовують для генерації когерентних світлових хвиль. Ідея цього вперше було висловлено 1957 р. А.М. Прохоров, Н.Г. Басовим та незалежно від них Ч. Таунсом. Щоб активну речовину лазера перетворити на генератор світлових коливань, треба здійснити зворотний зв'язок. Це означає, що частина випромінюваного світла повинна постійно повертатися в зону активної речовини і викликати вимушене випромінювання нових і нових атомів. Для цього активну речовину поміщають між двома дзеркалами S 1 і S 2 (див. рис.7), які є елементами зворотного зв'язку. Промінь світла, зазнаючи багаторазових відображень від дзеркал S 1 і S 2 , проходитиме багато разів через активну речовину, посилюючись при цьому в результаті вимушених переходів з вищого енергетичного рівня " 3 на нижчий рівень  " 1 . Виходить відкритий резонатор, у якому дзеркала забезпечують багаторазове проходження (і тим самим посилення) світлового потоку активному середовищі. У реальному лазері частина світла, щоб її можна було використовувати, має бути випущена з активного середовища назовні. З цією метою однією з дзеркал, наприклад S 2 робиться напівпрозорим.

Такий резонатор не лише посилюватиме світло, але також колімуватиме та монохроматизуватиме його. Для простоти запропонуємо спочатку, що дзеркала S1 і S2 ідеальні. Тоді промені, паралельно осі циліндра, проходитимуть через активну речовину туди і назад необмежену кількість разів. Все ж таки промені, що йдуть похило, врешті-решт, потраплять на бічну стінку циліндра, де вони розсіються або вийдуть назовні. Ясно тому, що максимально посиляться промені, що поширюються паралельно до осі циліндра. Цим і пояснюється колімація променів. Звичайно, суворо паралельні промені не можна отримати. Цьому перешкоджає дифракція світла. Кут розходження променів принципово не може бути меншим за дифракційну межу  D, де D- Ширина пучка. Однак, у кращих газових лазерах така межа практично досягнута.

Пояснимо тепер, як відбувається монохроматизація світла. Нехай Z- Оптична довжина колії між дзеркалами. Якщо 2 Z= m , тобто на довжині Zвкладається ціле число напівхвиль m, то світлова хвиля, вийшовши від S 1 після проходження туди і назад повернеться до S 1 в тій же фазі. Така хвиля посилиться при другому та всіх наступних проходженнях через активну речовину у прямому та зворотному напрямках. Найближча довжина хвилі  , для якої має відбуватися таке саме посилення, знайдеться з умови 2 Z=(m 1)( ). Отже,  =  / m, тобто  Як і слід було очікувати, співпадає зі спектральною областю інтерферометрам Фабрі-Перо. Врахуємо тепер, що енергетичні рівні " 3 і  " 1 та спектральні лінії, що виникають при переходах між ними, не нескінченно тонкі, а мають кінцеву ширину. Припустимо, що ширина спектральної лінії, що випромінюється атомами, менша за дисперсну ділянку приладу. Тоді з усіх довжин хвиль, випромінюваних атомами, умовою 2 Z= m може задовольняти лише одна довжина хвилі  . Така хвиля посилиться максимально. Це і веде до звуження спектральних ліній, що генеруються лазером, тобто монохроматизації світла.

Основні властивості пучка лазерного світла:

монохроматичність;

просторова та тимчасова когерентність;

висока інтенсивність;

Мінімальна розбіжність пучка.

Завдяки високій когерентності гелій-неоновий лазер служить чудовим джерелом безперервного монохроматичного випромінювання для дослідження різноманітних інтерференційних і дифракційних явищ, здійснення яких із звичайними джерелами світла вимагає застосування спеціальної апаратури.

Лазер (від англ. «light amplification by stimulated emission of radiation » - «посилення світла шляхом стимулювання випромінювання» або оптичний квантовий генератор - це спеціальний тип джерела випромінювання зі зворотним зв'язком, випромінюючим тілом в якому є інверсно-населене середовище. Принципи роботи лазера ґрунтуються на властивостяхлазерного випромінювання: монохроматичність та висока когерентність (просторова та тимчасова). ТТакож до особливостей випромінювання часто відносять малу кутову розбіжність (іноді можна зустріти термін «висока спрямованість випромінювання»), що, у свою чергу, дозволяє говорити про високу інтенсивність лазерного випромінювання. Таким чином, щоб зрозуміти принципи роботи лазера, необхідно поговорити про характерні властивості лазерного випромінювання та інверсно-населеного середовища – одного з трьох основних компонентів лазера.

спектр лазерного випромінювання. Монохроматичність.

Однією з показників випромінювання будь-якого джерела є його спектр. Сонце, побутові освітлювальні прилади мають широкий спектр випромінювання, в якому присутні компоненти з різними довжинами хвиль. Наше око сприймає таке випромінювання як біле світло, якщо в ньому інтенсивність різних компонент приблизно однакова, або як світло з будь-яким відтінком (наприклад, у світлі нашого Сонця домінують зелена та жовта компоненти).

Лазерні джерела випромінювання, навпаки, мають дуже тонкий діапазон. У деякому наближенні можна сказати, що всі фотони лазерного випромінювання мають ту саму (або близькі) довжини хвиль. Так, випромінювання рубінового лазера, наприклад, має довжину хвилі 694.3 нм, що відповідає світла червоного відтінку. Щодо близької довжини хвилі (632.8 нм) має і перший газовий лазер – гелій-неоновий. Аргон-іонний газовий лазер, навпаки, має довжину хвилі 488.0 нм, що сприймається нашим оком як бірюзовий колір (проміжний між зеленим та блакитним). Лазери на основі сапфіру, легованого іонами титану, має довжину хвилі, що лежить в інфрачервоній області (зазвичай поблизу довжини хвилі 800 нм), тому його випромінювання невидиме для людини. Деякі лазери (наприклад, напівпровідникові з дифракційними ґратами, що обертаються, як вихідне дзеркало) можуть перебудовувати довжину хвилі свого випромінювання. Спільним для всіх лазерів, однак, є те, що основна частка енергії їхнього випромінювання зосереджена у вузькій спектральній області. Це властивість лазерного випромінювання і називається монохроматичність (від грец. «один колір»). На рис. 1 для ілюстрації даної властивості наведені спектри випромінювання Сонця (на рівні зовнішніх шарів атмосфери та на рівні моря) та напівпровідникового лазера виробництва компанії Thorlabs.

Рис. 1. Спектри випромінювання Сонця та напівпровідникового лазера.

Ступінь монохроматичність лазерного випромінювання можна охарактеризувати спектральною шириною лазерної лінії (ширина може бути задана як відбудова за довжиною хвилі або частотою від максимуму інтенсивності). Зазвичай спектральна ширина визначається за рівнем 1/2 ( FWHM), 1/ e чи 1/10 від максимуму інтенсивності. У деяких сучасних лазерних установках досягнуто ширини піку випромінювання в кілька кГц, що відповідає ширині лазерної лінії менш ніж в одну мільярдну нанометра. Для фахівців відзначимо, що ширина лазерної лінії може бути на порядки вже ширини лінії спонтанного випромінювання, що є однією з відмінних характеристик лазера (порівняно, наприклад, з люмінесцентними і суперлюмінесцентними джерелами).

Когерентність лазерного випромінювання

Монохроматичність - важлива, але не єдина властивість лазерного випромінювання. Іншою визначальною властивістю випромінювання лазера є його когерентність. Зазвичай говорять про просторову та тимчасову когерентність.

Уявімо собі, що лазерний пучок розділений навпіл напівпрозорим дзеркалом: половина енергії пучка пройшла через дзеркало, інша половина відбилася і пішла в систему спрямовуючих дзеркал (рис. 2). Після цього другий пучок знову зводиться з першим, але з деякою тимчасовою затримкою. Максимальний час затримки, при якому пучки можуть інтерферувати (тобто взаємодіяти з урахуванням фази випромінювання, а не тільки його інтенсивності) і називається часом когерентності лазерного випромінювання, а довжина додаткового шляху, який другий пучок пройшов через своє відхилення – довжину поздовжньої когерентності. Довжина поздовжньої когерентності сучасних лазерів може перевищувати кілометр, хоча більшість програм (напр., для лазерів промислової обробки матеріалів) настільки високої просторової когерентності лазерного пучка не требуется.

Можна розділити лазерний пучок і по-іншому: замість напівпрозорого дзеркала поставити повністю поверхню, що відображає, але перекрити їй не весь пучок, а тільки частина його (мал. 2). Тоді спостерігатиметься взаємодія випромінювання, яке поширювалося у різних частинах пучка. Максимальна відстань між точками пучка, випромінювання яких інтерферуватиме, називається довжиною поперечної когерентності лазерного пучка. Звичайно, для багатьох лазерів довжина поперечної когерентності просто дорівнює діаметру пучка лазерного випромінювання.

Рис. 2. До пояснення понять тимчасової та просторової когерентності

Кутова розбіжність лазерного випромінювання. Параметр M 2 .

Як би ми не прагнули зробити пучок лазерного випромінювання паралельним, він завжди матиме ненульову кутову розбіжність. Мінімальний можливий кут розбіжності лазерного випромінюванняα d («дифракційна межа») по порядку величини визначається виразом:

α d ~ λ /D, (1)

де λ - Довжина хвилі лазерного випромінювання, а D - Ширина пучка, що вийшов з лазера. Легко підрахувати, що при довжині хвилі 0.5 мкм (зелене випромінювання) та ширині лазерного променя 5 мм кут розбіжності становитиме ~10 -4 рад, або 1/200 градуси. Незважаючи на значення, кутова розбіжність може виявитися критичним для деяких додатків (наприклад, для використання лазерів у бойових супутникових системах), оскільки воно задає верхню межу досяжної щільності потужності лазерного випромінювання.

Загалом якість лазерного пучка можна задати параметром M 2 . Нехай мінімально досяжна площа плями, що створюється ідеальною лінзою при фокусуванні гаусового пучка, дорівнює S . Тоді якщо та ж лінза фокусує пучок від даного лазера в пляму площі S 1 > S , параметр M 2 лазерного випромінювання дорівнює:

M 2 = S 1 / S (2)

Для найбільш якісних лазерних систем параметр M 2 близький до одиниці (зокрема, у продажу є лазери з параметром M 2 , рівним 1.05). Треба, однак, мати на увазі, що далеко не для всіх класів лазерів на сьогоднішній день можна досягти низького значення цього параметра, що треба враховувати при виборі класу лазера для конкретного завдання.

Ми коротко навели основні властивості лазерного випромінювання. Опишемо тепер основні компоненти лазера: середовище з інверсною населеністю, лазерний резонатор, накачування лазера, і навіть схему лазерних рівнів.

Середовище з інверсною населеністю. Схема лазерного рівня. Квантовий вихід.

Основним елементом, що перетворює енергію зовнішнього джерела (електричну, енергію нелазерного випромінювання, енергію додаткового лазера накачування) у світлове, є середовище, в якому створено інверсне населення пари рівнів. Термін «інверсна населеність» означає, що певна частка структурних частинок середовища (молекул, атомів або іонів) переведена в збуджений стан, причому для деякої пари енергетичних рівнів цих частинок (верхній та нижній лазерний рівні) на верхньому по енергії рівні знаходиться більше частинок, ніж на нижньому.

При проході через середовище з інверсною населеністю випромінювання, кванти якого мають енергію, що дорівнює різниці енергій двох лазерних рівнів, може посилюватися, при цьому знімаючи збудження частини активних центрів (атомів/молекул/іонів). Посилення відбувається за рахунок утворення нових квантів електромагнітного випромінювання, що мають ту ж довжину хвилі, напрямок поширення, фазу та стан поляризації, що й вихідний квант. Таким чином, в лазері відбувається генерація пакетів однакових (рівних за енергією, когерентних і рухомих в одному напрямку) фотонів (рис. 3), що визначає основні властивості лазерного випромінювання.

Рис. 3. Генерація когерентних фотонів при вимушеному випромінюванні.

Створити інверсно населене середовище в системі, що складається всього з двох рівнів, однак у класичному наближенні неможливо. Сучасні лазери зазвичай мають трирівневу або чотирирівневу систему рівнів, що беруть участь у лазерній генерації. При цьому збудження переводить структурну одиницю середовища на верхній рівень, з якого частинки за короткий час релаксують до нижчого значення енергії - верхнього лазерного рівня. У лазерну генерацію залучається також один із нижчележачих рівнів – основний стан атома у трирівневій схемі або проміжний – у чотирирівневій (рис. 4). Чотирьохрівнева схема виявляється більш переважною через те, що проміжний рівень зазвичай населений набагато меншою кількістю частинок, ніж основний стан, відповідно створити інверсну населеність (перевищення числа збуджених частинок над числом атомів на нижньому лазерному рівні) виявляється набагато простіше (для початку лазерної генерації потрібно повідомити середовищі менша кількість енергії).

Рис. 4. Трирівнева та чотирирівнева системи рівнів.

Таким чином, при лазерній генерації мінімальне значення сполученого робочого середовища енергії дорівнює енергії збудження верхнього рівня системи, а генерація відбувається між двома нижчележачими рівнями. Це зумовлює те що, що ККД лазера спочатку обмежується ставленням енергії порушення до енергії лазерного переходу. Це відношення називається квантовим виходом лазера. Варто зазначити, що зазвичай ККД лазера від електромережі в кілька разів (і в деяких випадках навіть у кілька десятків разів) нижче за його квантовий вихід.

Особливу структуру енергетичних рівнів мають напівпровідникові лазери. У процес генерації випромінювання в напівпровідникових лазерах залучені електрони двох зон напівпровідника, проте завдяки домішкам, що формують світловипромінюючий p - n перехід, межі цих зон у різних ділянках діода виявляються зрушеними один щодо одного. Інверсне населення в області p - n переходу в таких лазерах створюється за рахунок перетікання електронів у область переходу із зони провідності n ‑ ділянки та дірок з валентної зони p ‑ ділянки. Докладніше про напівпровідникові лазери можна прочитати у спеціальній літературі.

У сучасних лазерах застосовуються різні методи створення інверсної населеності або накачування лазера.

Накачування лазера. Способи накачування.

Щоб лазер почав генерувати випромінювання, необхідно підвести енергію до його активного середовища, щоб створити в ньому інверсне населення. Цей процес називається накачуванням лазера. Існує кілька основних методів накачування, застосування яких у конкретному лазері залежить від роду активного середовища. Так, для ексимерних та деяких газових лазерів, що працюють в імпульсному режимі (наприклад, CO 2 - лазера) можливе порушення молекул лазерного середовища електричним розрядом. У безперервних газових лазерах для накачування можна використовувати розряд, що тліє. Накачування напівпровідникових лазерів здійснюється за рахунок застосування напруги до p‑n переходу лазера Для твердотільних лазерів можна використовувати некогерентне джерело випромінювання (лампу-спалах, лінійку або масив світловипромінюючих діодів) або інший лазер, довжина хвилі якого відповідає різниці енергій основного та збудженого станів домішкового атома (у твердотільних лазерах, як правило, лазерна генерація виникає на атом домішки, розчинених у сітці матриці – наприклад, для рубінового лазера активною домішкою є іони хрому).

Узагальнюючи, можна сказати, що метод накачування лазера визначається його типом та особливостями активного центру генеруючого середовища. Як правило, для кожного конкретного типу лазерів є найбільш ефективний метод накачування, який визначає тип і конструкцію системи підведення енергії до активного середовища.

Резонатор лазера. Умова лазерної генерації. Стійкі та нестійкі резонатори.

Активного середовища та системи доставки до неї енергії ще недостатньо для виникнення лазерної генерації, хоча на їх основі вже можна побудувати деякі пристрої (наприклад, підсилювач або суперлюмінесцентне джерело випромінювання). Лазерна генерація, тобто. випромінювання монохроматичного когерентного світла, виникає лише за наявності зворотний зв'язок, чи лазерного резонатора.

У найпростішому випадку резонатор є парою дзеркал, одне з яких (вихідне дзеркало лазера) є напівпрозорим. Як інше дзеркало, як правило, ставлять відбивач з коефіцієнтом відображення на довжині хвилі генерації, близьким до 100% («глухе дзеркало»), щоб уникнути генерації лазера «в дві сторони» та зайвої втрати енергії.

Резонатор лазера забезпечує повернення частини випромінювання у активне середовище. Ця умова важлива для виникнення когерентного та монохроматичного випромінювання, оскільки повернуті в середу фотони викликатимуть випромінювання однакових із собою за частотою та фазою фотонів. Відповідно, кванти випромінювання, що знову виникають в активному середовищі, будуть когерентні з вже вийшли за межі резонатора. Таким чином, характерні властивості лазерного випромінювання забезпечуються багато в чому саме конструкцією та якістю лазерного резонатора.

Коефіцієнт відображення вихідного напівпрозорого дзеркала лазерного резонатора підбирається таким чином, щоб забезпечити максимальну вихідну потужність лазера або виходячи з технологічної простоти виготовлення. Так, в деяких волоконних лазерах як вихідне дзеркало може використовуватися рівно сколотий торець волоконного світловода.

Очевидною умовою сталої лазерної генерації є умова рівності оптичних втрат у лазерному резонаторі (включаючи втрати на вихід випромінювання через дзеркала резонатора) та коефіцієнта посилення випромінювання в активному середовищі:

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

де L = Довжина активного середовища,a- Коефіцієнт посилення в активному середовищі, R 1 та R 2 - коефіцієнти відображення дзеркал резонатора таg- «сірі» втрати в активному середовищі (тобто втрати випромінювання, пов'язані з флуктуаціями щільності, дефектами лазерного середовища, розсіювання випромінювання та інші види оптичних втрат, що зумовлюють ослаблення випромінювання при проходженні через середовище, крім безпосередньо поглинання квантів випромінювання атомами середовища). Останній множник X » позначає всі інші втрати, присутні в лазері (наприклад, лазер може бути введений спеціальний поглинаючий елемент, щоб лазер генерував імпульси малої тривалості), за їх відсутності він дорівнює 1. Щоб отримати умову розвитку лазерної генерації з спонтанно випромінюваних фотонів, очевидно, рівність треба замінити знаком ">".

З рівності (3) випливає таке правило для вибору вихідного лазерного дзеркала: якщо коефіцієнт посилення випромінювання активним середовищем з урахуванням сірих втрат (a- g) × L малий, коефіцієнт відображення вихідного дзеркала R 1 повинен бути обраний великим, щоб лазерна генерація не згасала через вихід випромінювання з резонатора. Якщо коефіцієнт посилення досить великий, зазвичай має сенс вибрати менше значення R 1 , Оскільки високий коефіцієнт відображення призводитиме до підвищення інтенсивності випромінювання всередині резонатора, що може позначитися на часі життя лазера.

Проте резонатор лазера потребує юстування. Припустимо, що резонатор складений із двох паралельних, але не отъюстированных дзеркал (наприклад, розташованих під кутом друг до друга). У такому резонаторі випромінювання, пройшовши через активне середовище кілька разів, виходить за межі лазера (рис. 5). Резонатори, в яких випромінювання за кінець часу виходить за його межі, називаються нестійкими. Такі резонатори використовуються в деяких системах (наприклад, потужних імпульсних лазерах спеціальної конструкції), однак, як правило, нестійкості резонатора в практичних додатках намагаються уникнути.

Рис. 5. Нестійкий резонатор із роз'юстованими дзеркалами; стійкий резонатор та

стаціонарний пучок випромінювання у ньому.

Щоб підвищити стійкість резонатора, як дзеркала використовують вигнуті поверхні, що відбивають. При певних значеннях радіусів поверхонь, що відбивають, даний резонатор виявляється нечутливим до малих порушень юстування, що дозволяє істотно спростити роботу з лазером.

Ми коротко описали мінімальний необхідний набір елементів для створення лазера та основні особливості лазерного випромінювання.

Контрольна робота

ЛАЗЕРИ НА ОСНОВІ КОНДЕНСОВАНИХ СЕРЕДОВИЩ

Вступ

2.2. Рубіновий лазер

3.2. Неодимовий лазер

3.7. Волоконні лазери

5. Напівпровідникові лазери

5.1. Принцип дії

5.2. ДГС-лазери

5.3. РОС- та ВРПІ-лазери

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Вступ

До лазерів на основі речовин у конденсованому стані відносяться лазери, активне середовище яких створюється:

1) у твердих тілах – головним чином у діелектричних кристалах та стеклах, де активними частинками є легуючі кристал іонізовані атоми актиноїдів, рідкісноземельних та інших перехідних елементів, а також – у кристалах, що володіють властивостями напівпровідника,

2) у рідинах, до складу яких вводяться активні частинки – молекули органічних барвників.

У цих середовищах вимушене лазерне випромінювання виникає за рахунокіндукованих випромінювальнихпереходів (див. розділ 1) між енергетичними рівнями іонів-активаторів або термами молекул. У напівпровідникових структурах вимушене випромінювання виникає внаслідок рекомбінації вільних електронів та дірок. На відміну від газових лазерів (див., розділ 4) інверсія населення в твердотільних і рідинних лазерах завжди створюється на переходах, близьких до основного енергетичного стану активної частки.

Оскільки діелектричні кристали не проводять електричний струм, то для них і для рідких середовищ використовується т.зв.оптичне накачування накачування лазерного переходу оптичним випромінюванням (світлом) від допоміжного джерела.

У напівпровідникових лазерах найчастіше використовується накачування електричним струмом (інжекційним струмом), що протікає через напівпровідник у прямому напрямку, рідше – інші типи накачування: оптичне накачування, або накачування бомбардуванням електронами.

1. Специфіка оптичного накачування активного середовища лазера

Важливою особливістю ВІН є їїселективність , А саме: підбором довжини хвилі випромінювання ВІН можна вибірково збуджувати потрібний квантовий стан активних частинок. Знайдемо умови, що забезпечують максимальну ефективність процесу збудження активних частинок рахунок оптичної накачування (ВІН), у результаті активна частка відчуває квантовий перехід з енергетичного стану ‘ i ' у вище розташований за шкалою енергії збуджений стан ' k ’. Для цього скористаємося виразом для потужності випромінювання джерела ВІН, що поглинається активними частинками середовища, що опромінюється (див., розділ 1.9)

. (1)

(1) входять частотна залежність спектральної щільності енергії випромінювання джерела ВІН і функція форми лінії поглинання середовища, тобто. її частотна залежність (форм-фактор).

Очевидно, що швидкість поглинання і величина потужності, що поглинається, будуть максимальними, коли:

1) концентрація частинок у стані ‘ i ' буде найбільшим, тобто. ВІН ефективна при високій щільності активних частинок, а саме, з усього різноманіття середовищ – для середовищ, що знаходяться в конденсованому стані (твердих тіл та рідин);

2) У стані ТДР розподіл частинок за станами з різними значеннями внутрішньої (потенційної) енергії описується формулою Больцмана, а саме: максимальну заселеність має основний (нижчий) енергетичний стан частинки та ансамблю в цілому. Звідси випливає, що стан i ' має бути основним енергетичним станом частки;

3) для більш повного поглинання енергії джерела ВІН (найбільшої Δ P ik ) бажано мати середовище з найбільшим значенням коефіцієнта поглинання на квантовому переході: (див. ф-лу (1.35)), а оскільки пропорційний коефіцієнту Ейнштейна B k i , а В ki А ki (див., ф-лу (1.11,б)), то бажано, щоб поглинаючий перехід був би "дозволеним" та "резонансним";

4) Бажано, щоб ширина спектра випромінювання джерела накачування була б не більше ширини контуру поглинання активних частинок. При накачуванні спонтанним випромінюванням ламп досягти цього, як правило, не вдається. Ідеальною з цього погляду є “когерентна ” накачування – накачування монохроматичним випромінюванням лазера, коли він вся лінія (весь спектр) випромінювання ВІН “попадає” у контур поглинання. Такий режим поглинання був розглянутий нами в розділі 1.9;

5) очевидно, що ефективність ВІН буде тим вищою, чим більша частка випромінювання поглинатиметься активними частинками за допомогою квантового переходу з накачуванням потрібного рівня. Так, якщо активне середовище являє собою кристал (матрицю), леговану активними частинками, то матриця повинна вибиратися такою, щоб випромінювання нею не поглиналося, тобто. щоб матриця була б "прозорою" для випромінювання накачування, що виключає навіть нагрівання середовища. У той самий час повний ККД системи “джерело ВІН – активне середовище лазера” зазвичай великою мірою визначається ефективністю перетворення електричної енергії, вкладеної у джерело накачування,– його випромінювання;

6) У розділі 1.9 було показано, що в квантовій системі з двома енергетичними рівнями за жодних значень інтенсивності зовнішнього випромінювання (тобто оптичного накачування) принципово неможливо отримати інверсію населеностей: при →∞ вдається лише зрівняти населеності рівнів.

Тому для накачування квантового лазерного переходу оптичним випромінюванням і створення на ньому інверсії населення, використовуються активні середовища з одним або двома допоміжними енергетичними рівнями, що разом з двома рівнями лазерного переходу утворює трьох-або чотирирівневу схему (структуру) енергетичних рівнів активного середовища.

2. Квантові прилади з оптичним накачуванням, що працюють за "трирівневою схемою"

2.1. Теоретичний аналіз трирівневої схеми. У такій схемі (рис. 1) нижнім лазерним рівнем «1» є основний енергетичний стан ансамблю частинок, верхнім лазерним рівнем «2» є відносно довготривалий рівень, а рівень «3», пов'язаний з рівнем «2» швидким безвипромінювальним переходом, єдопоміжним. Оптичне накачування діє по каналу «1»→«3».

Знайдемо умову існування інверсії між рівнями «2» та «1». Вважаючи статистичні ваги рівнів однаковими g 1 = g 2 = g 3 , запишемо систему кінетичних (балансних) рівнянь для рівнів «3» та «2» у стаціонарному наближенні, а також співвідношення для кількості частинок на рівнях:

(2)

де n 1 , n 2 , n 3 – концентрації частинок на рівнях 1,2 та 3, Wn 1 та Wn 3 – швидкості поглинання та індукованого випромінювання на переходах між рівнями «1» та «3» під дією випромінювання накачування, ймовірність якої W; w ik - ймовірності переходів між рівнями, N

З (2) можна знайти населеності рівнів n 2 і n 1 , як функцію W , та їх різницю Δ n у вигляді

, (3)

яка визначає ненасичений коефіцієнт посиленняα 0 ансамблю частинок на переході "2"→"1". Для того щобα 0 >0 необхідно, щоб, тобто. чисельник (3) повинен бути позитивним:

, (4)

де W досі - Пороговий рівень накачування. Бо завжди W досі >0, то звідси випливає, що w 32 > w 21 , тобто. ймовірність накачування рівня «2» релаксаційними переходами з рівня «3» має бути більшою за ймовірність його релаксації в стан «1».

У разі якщо

w 32 >> w 21 та w 32 >> w 31 , (5)

то з (3) отримаємо: . І, нарешті, якщо W >> w 21 , то інверсія Δ n буде: Δ n ≈ n 2 ≈ N , тобто. на рівні «2» можна зібрати всі частинки середовища. Зауважимо, що співвідношення (5) для швидкостей релаксації рівнів відповідають умовам генерації “пічків” (див. Розділ 3.1).

Таким чином, у трирівневій системі з оптичним накачуванням:

1) інверсія можлива, якщо w 32 >> w 21 і максимальна коли w 32 >> w 31;

2) інверсія виникає за W > W досі , тобто. створення носитьпороговий характер;

3) при невисоких w 21 створюються умови для "пічкового" режиму вільної генерації лазера.

2.2. Рубіновий лазер. Цей твердотільний лазер є першим лазером, який заробив у видимому діапазоні довжин хвиль (Т.Мейман, 1960). Рубіном називають синтетичний кристал А l 2 O 3 у модифікації корунд (матриця) з домішкою 0,05% іонів-активаторів Cr 3+ (концентрація іонів ~1,6∙10 19 см 3 ), і позначається як А l 2 O 3 : Cr 3+ . Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою з ОН (рис. 2, а). Лазерними рівнями є електронні рівні Cr 3+ : нижній лазерний рівень «1» є основним енергетичним станом. Cr 3+ в А l 2 O 3 , верхній лазерний рівень «2» – довгоживучий метастабільний рівеньτ 2 ~10 3 с. Рівні «3а» та «3б» єдопоміжними. Переходи «1»→«3а» та «1»→«3б» належать до синьої (λ0,41мкм) та “зеленої” (λ0,56мкм) частин спектру, і є широкими (з Δλ ~50нм) контуру поглинання (смуги).

Рис. 2. Рубіновий лазер. (а) – Діаграма енергетичних рівнів Cr 3+ в Al 2 O 3 (корунд); (б ) - конструктивна схема лазера, що працює в імпульсному режимі з модуляцією добротності. 1 – рубіновий стрижень, 2 – лампа накачування, 3 – еліптичний відбивач, 4а – нерухоме дзеркало резонатора, 4б – дзеркало резонатора, що обертається, модулююче добротність резонатора, Сн - Накопичувальний конденсатор, R - Зарядний резистор, «Кн » - кнопка пуску імпульсу струму через лампу; показаний вхід та вихід охолоджуючої води.

Метод оптичного накачування забезпечує селективне заселення допоміжних рівнів «3а» та «3б» Cr 3+ каналом «1»→«3» іонами Cr 3+ при поглинанні іонами Cr 3+ випромінювання імпульсної ксенонової лампи Потім за порівняно короткий час (~10 8 с) відбувається безвипромінний перехід цих іонів із «3а» та «3б» – на рівні «2». Енергія, що виділяється при цьому, перетворюється на коливання кристалічної решітки. При достатньої щільності ρ енергії випромінювання джерела накачування: коли, і на переході «2»→«1» виникає інверсія населеностей та генерація випромінювання в червоній області спектра на λ694,3 нм та λ692,9 нм. Порогова величина накачування з урахуванням статвесів рівнів відповідає перекладу на рівень «2» близько ⅓ всіх активних частинок, що при накачуванні з 0,56 мкм вимагає питому енергію випромінюванняЕ пор >2Дж/см 3 (і потужність Р пор >2кВт/см 3 при тривалості імпульсу накачуванняτ ≈10 3 c ). Таке високе значення, що вкладається в лампу, і рубіновий стрижень потужності при стаціонарній ВІН може призвести до його руйнування, тому лазер працює в імпульсному режимі і вимагає інтенсивного водяного охолодження.

Схема лазера показано на рис. 2,б. Лампа накачування (лампа-спалах) і рубіновий стрижень для підвищення ефективності накачування розташовуються всередині відбивача з циліндричною внутрішньою поверхнею і перетином у формі еліпса, причому лампа та стрижень розташовуються у фокальних точках еліпса. В результаті все випромінювання, що виходить із лампи, виявляється сфокусованим у стрижні. Імпульс світла лампи виникає при пропусканні через неї імпульсу струму шляхом розряду накопичувального конденсатора в момент замикання контактів кнопкою «Кн ». Охолодна вода прокачується всередині відбивача. Енергія випромінювання лазера в імпульсі досягає кількох джоулів.

Імпульсний режим роботи цього лазера може бути одним з наступних (див. Розділ 3):

1) режим "вільної генерації" при малій частоті повторення імпульсів (зазвичай 0,1 ... 10Гц);

3) режим “синхронізації мод”: при ширині лінії випромінювання Δνнеодн ~10 11 Гц,

число поздовжніх мод М~10 2 , Тривалість імпульсу ~10пс.

Широко застосовується в медицині та лазер на BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (хризоберилле, легованому хромом, або олександрит), що випромінює в діапазоні 0,7 ... 0,82 мкм.

2.3. Ербієвий волоконно-оптичний квантовий підсилювач. Такий підсилювач, званий часто “ EDFA ” (абревіатура від “ Erbium Dopped Fiber Amplifier ”), працює за трирівневою схемою на квантових переходах між електронними станами Er 3+ у кварцовому волокні, легованому ербієм: SiO 2: Er 3+ (Рис. 3, а). Нижнім квантовим станом «1» є основний електронний стан Er 3+ – 4 I 15/2 . Верхніми квантовими станами «2» є група нижніх підрівнів розщепленого електронного стану 4 I 13/2 . Розщеплення на ряд близьких підрівнів виникає через взаємодію іонів Er 3+ із внутрішньокристалічним полем SiO 2 (Ефект Штарка). Верхні підрівні електронного стану 4 I 13/2 та окремий рівень 4 I 11/2 є допоміжними рівнями «3а» та «3б».

Під дією випромінювання накачування на довжинах хвиль 980нм (або 1480нм) іони Er 3+ переходять зі стану «1» в короткоживучі стани «3а» або «3б», а потім швидкими безвипромінними переходами ( w 32 ~10 6 c –1 ) – у стан «2», який є квазіметастабільним ( w 21 ~10 2 c –1 , а τ 2 ~10мс). Таким чином, вимога w 32 >> w 21 виконується, і на рівні «2» відбувається накопичення частинок, кількість яких при перевищенні рівня накачування над її граничним значенням W > W досі , Перевищує населення рівня «1», тобто. виникне інверсія населення і посилення на довжинах хвиль у діапазоні 1,52 ... 1,57 мкм (рис. 3, б). Виявляється, що поріг інверсії досягається, коли на рівень «2» переводиться одна третина частинок. Пороговий рівень ВІН- W досі та частотна залежність коефіцієнта посилення визначаються структурою волокна (рис. 3,б), концентрацією Er 3+ та довжиною хвилі випромінювання ВІН. Ефективність накачування, а саме відношення ненасиченого коефіцієнта посилення до одиниці потужності джерела ВІН, становить для накачування з λ980нм до 11дБ·м-1 ∙ МВт -1 , А для λ1480нм-близько 6дБ · м-1 ∙ МВт -1 .

Відповідність частотного діапазону посилення EDFA третьому "вікну прозорості" кварцового волокна обумовлює застосування таких підсилювачів як компенсаторів лінійних втрат сучасних волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) з частотним ущільненням каналів (системи WDM: Wavelength Division Multiplexing, та DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing ). Відрізок кабелю-підсилювача, що накачується випромінюванням напівпровідникового лазера, досить легко включається до ВОЛЗ (рис. 3, в). Використання ербієвих волоконних підсилювачів у ВОЛЗ замінює технічно набагато складніший метод “регенерації” сигналу – виділення слабкого сигналу та його відновлення.

Рис. 3. Ербієвий волоконно-оптичний квантовий підсилювач ( EDFA ). (а) – схема енергетичних рівнів Er 3+ у SiO 2 (кварці), (б)-посилення сигналу в кварці з різними добавками, (в )–спрощена схема включення підсилювача у ВОЛЗ:1–вхідне випромінювання (з тракту передачі), 2– напівпровідниковий лазер накачування, 3–мультиплексор ( coupler ), 4-EDFA (волокно SiO 2 : Er 3+ ), 5-оптичний ізолятор, 6-вихідне випромінювання (в тракт передачі).

3. Лазери з оптичним накачуванням, що працюють за "чотирьохрівневою схемою".

3.1. Теоретичний аналіз чотирирівневої схеми. У такій схемі рівнів (рис. 4) рівень «0» є основним енергетичним станом ансамблю частинок, рівень «1», пов'язаний квантовим переходом з рівнем «0», є нижнім лазерним, довготривалий рівень «2» є верхнім лазерним рівнем, а рівень "3" є допоміжним. Накачування діє каналом «0»→«3».

Знайдемо умову існування інверсії між рівнями «2» та «1». Вважаючи статистичні ваги рівнів однаковими, а також вважаючи, що

і, (6)

запишемо спрощену систему кінетичних рівнянь для рівнів «3», «2» та «1» у стаціонарному наближенні, а також співвідношення для кількості частинок на всіх рівнях:

(7)

де n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , - Концентрації частинок на рівнях 0,1,2,3; Wn 0 та Wn 3 – швидкості поглинання та індукованого випромінювання на переходах між рівнями «0» та «3» під дією випромінювання накачування, ймовірність якої W; w ik -ймовірності переходів між рівнями, N -Повне число активних частинок в одиниці обсягу.

З (6 та 7) можна знайти населеності рівнів n 1 і n 2 як функцію W , та їх різницю Δ n у вигляді

, (8)

яка визначає ненасичений коефіцієнт посилення α 0 на переході "2"→"1".

Очевидно, що коефіцієнт посилення буде позитивним і максимальним, коли:

. (9)

Звідси можна зробити висновки, що за чотирирівневої схеми з ВІН, коли виконуються умови (6) та (9):

1) інверсія не носить порогового характеру і існує за будь-яких W;

2) вихідна потужність лазера, що визначається виразом (2.14), залежить від швидкості оптичного накачування Wn 0.

3) порівняно з трирівневою, чотирирівнева схема є більш універсальною і дозволяє створювати інверсію населення, а також здійснювати як імпульсну, так і безперервну і генерацію при будь-яких рівнях накачування (коли посилення перевищує втрати в ОРМ).

3.2. Неодимовий лазер. У лазері використовується квантовий перехід між електронними енергетичними рівнями Nd 3+ , лазерна генерація здійснюється за чотирирівневою схемою з ОН (рис. 5). Найбільш широко застосовуваною кристалічною матрицею для іонів Nd 3+ є ітрій-алюмінієвий гранат: Y 3 Al 5 O 12 , і легований кристал позначається як Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ або ІАГ: Nd 3+ . Концентрація Nd 3+ , що не деформує кристал ІАГ – до 1,5% Іншими матрицями для Nd 3+ є фосфатні та силікатні стекла (які позначаються якскло : Nd 3+ ), кристали гадоліній-скандій-галієвого гранату (ГСГГ: Nd 3+ ), ітрій-літій фториду- YLiF 4: Nd 3+ , ортованадата ітрію, металоорганічні рідини. Завдяки кубічній структурі матриці, спектр люмінесценції ІАГ має вузькі лінії, що визначає високий коефіцієнт посилення твердотілих лазерів на неодимі, які можуть працювати як імпульсному, так і безперервному режимах генерації.

Спрощена діаграма енергетичних електронних рівнів Nd 3+ в ІАГ представлена на рис.5 Нижній лазерний рівень «1» 4 I 11/2 найбільш інтенсивного квантового переходу Nd 3+ з довжиною хвилі λ1,06мкм розташовується приблизно на 0,25еВ вище за основний енергетичний стан «0»– 4 I 9/2 , і в нормальних умовах практично не заселений (0,01% від населення основного стану), що і визначає низький поріг генерації цього лазера. Рівень 4 F 3/2 , Час життя якого 0,2 мс, є верхнім лазерним рівнем «2». Групи рівнів (енергетичні “зони”) «3а»…д » відіграють роль допоміжного електронного рівня «3». Оптичне накачування здійснюється каналом «0»→«3», смуги поглинання мають довжини хвиль поблизу 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 та 0,89мкм. Зі станів «3а» ... «3д » відбувається швидка релаксація безвипромінними переходами у верхній лазерний стан «2».

Для накачування використовуються криптонові та ксенонові газорозрядні лампи, галогенні лампи з добавками лужних металів у газі, що наповнюють, а також напівпровідникові. GaAs лазери (λ0,88мкм) та світлодіоди на основі Ga 1 x Al x As (λ0,81 мкм) (рис. 6).

Потужність випромінювання лазера на ІАГ: Nd 3+ з довжиною хвилі ?

У кристалі ІАГ лазерна лінія Nd 3+ з ?ν неодн ≈3∙10 12 Гц,), що дозволяє успішно застосовувати режим синхронізації поздовжніх мод (див., розділ 3.3) зМ ~10 4 і отримувати надкороткі імпульси тривалістю близько 1пс.

Підвищена концентрація іонів-активаторів у таких середовищах як пентафосфат неодиму ( NdP 5 O 14 ), тетрафосфат неодиму літію ( LiNdP 4 O 12 ) та ін., забезпечує ефективне поглинання випромінювання напівпровідникового лазера на відстанях порядку часток міліметра, що дозволяє створювати мініатюрні модулі, які називаютьсямінілазерами : напівпровідниковий лазер-неодимовий лазер

Висока потужність випромінювання неодимового лазера з 1,06 мкм дозволяє здійснювати перетворення частоти його випромінювання за допомогою нелінійних кристалів. Для генерації другої та вищих оптичних гармонік використовують кристали з квадратичною та кубічною нелінійною сприйнятливістю (калію дигідрофосфат – KDP , калію титанілфосфат – KTP ), при прямому та (або) послідовному (каскадному) перетворенні. Так, якщо використовувати для випромінювання неодимового лазера ланцюжок кристалів, то можна отримувати крім ІЧ-випромінювання на основній частоті з λ1,06мкм – генерацію 2-ї, 4-ї та 5й гармонік з довжинами хвиль λ0,53мкм (зелене випромінювання); λ0,35мкм, λ0,26мкм та λ0,21мкм (УФ випромінювання)–(рис. 7).

Основні галузі застосування неодимових лазерів: технологічні та медичні установки, експерименти з керованого лазерного термоядерного синтезу, дослідження резонансної взаємодії випромінювання з речовиною, в системах підводного бачення та зв'язку (λ0,53мкм), оптична обробка інформації; спектроскопія, дистанційна діагностика домішок в атмосфері (УФ-випромінювання) та ін.

У лазерах, які використовують як матрицю скла (силікатні, боратні та ін.), можуть з успіхом застосовуватися й інші іони-активатори: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ з випромінюванням у діапазоні 0,9...1,54мкм.

3.3. Перетворення частоти випромінювання у нелінійному середовищі. Явище подвоєння та складання частот світлових хвиль полягає в наступному. При поширенні світла серед під дією електричного поля електромагнітної хвиліЕ , відбувається відповідне усунення атомних електронів щодо ядер, тобто. середовище поляризується. Поляризованість середовища характеризується величиною електричного дипольного моменту одиниці об'єму -р , пов'язаного з величиною поляЕ через діелектричну сприйнятливість середовищаχ : . Якщо це поле невелике, то діелектрична сприйнятливістьχ = χ 0 = Const, р є лінійною функцією відЕ : , і зміщення зарядів викликає випромінювання з тією самою частотою, як і початкове випромінювання (“лінійна ”оптика).

При високій потужності, коли електричне поле випромінювання починає перевищувати значення внутрішньоатомного поля, поляризуемість стає нелінійною функцієюЕ : Тобто крім лінійно залежить відЕ доданку при малихЕ , коли ми маємо справу з лінійною оптикою, у виразі дляр з'являється нелінійне щодоЕ доданок (“нелінійна ” Оптика). В результаті при поширенні в середовищі хвилі "накачування" з частотою ν 0 і хвильовим вектором (де – показник заломлення середовища), з'являється нова хвиля – друга оптична гармоніка з частотою та хвильовим вектором, і навіть ряд гармонік вищих порядків. Вочевидь, що енергія хвилі накачування з частотою найефективніше перекачуватиметься у нову хвилю з частотою, якщо швидкості поширення цих двох хвиль будуть однакові, тобто. якщо має місце т.зв.: . Виконати цю умову можна використовуючи кристал з двопроменеломленням, коли дві хвилі поширюються під деяким кутом до його головної оптичної осі.

При поширенні в кристалі двох хвиль з частотами та хвильовими векторами і, крім гармонік кожної з хвиль, в кристалі генерується хвиля з сумарною частотою: , і хвиля з різницею частотою. Умова хвильового синхронізму у своїй має вид: .

Описані явища у певному сенсі можна розглядати як генерацію гармонік при когерентному оптичному накачуванні нелінійного кристала.

3.4. Лазери, що перебудовуються на барвниках. Лазери на розчинах складних органічних сполук (в т. ч. барвників: родамінів, кумаринів, оксазолів та ін.) у спиртах, ацетоні та інших розчинниках відносяться до групирідинних лазерів. Такі розчини мають інтенсивні смуги поглинання при ВІН і випромінювання в ближній УФ-, видимій або ближній ІЧ-областях спектра. Основна їхня перевага – широка лінія люмінесценції (до 50...100нм), що дає можливість плавно розбудовувати робочу частоту лазера в межах цієї лінії.

Електронні стани більшості барвників, що використовуються в таких лазерах, являють собою широкі, до 0,1эВ, суцільні зони енергії, що виходять як результат складання сотень коливальних і обертальних підрівнів, що перекриваються, що призводить і до широких, як правило, безструктурних смуг поглинання і люмінесценції. , як результат складання переходів, що «перекриваються», між такими підрівнями (рис. 8, а). Між підрівнями “всередині” цих зон мають місце швидкі безвипромінні переходи з ймовірностями w ~10 10 …10 12 c –1 , А ймовірності релаксаційних переходів між електронними станами – на два-чотири порядки менше (~10 8 c -1).

Генерація відбувається за "чотирьохрівневою" схемою на переходах молекули барвника з нижніх коливальних підрівнів першого збудженого синглетного електронного стану S 1 (Рис. 8, а), аналогах рівня «2» на діаграмі рис. 4 – на верхні підрівні основного електронного стану S 0 , аналоги рівня «1». Аналогом рівня «0» є нижні підрівні основного електронного термо, а аналогом допоміжного рівня «3» – верхні коливальні підрівні збудженого електронного термо 1 .

Оскільки всередині електронних термів мають місце швидкі переходи, то розподіл населення станів відповідає закону Больцмана: верхні під-рівні «3» і «1» є слабо заселеними, а нижні «0» і «2» – сильно заселеними. Таке співвідношення для рівнів «0» та «3» визначає для них високу ефективність ВІН по каналу «0»→«3», а співвідношення для рівнів «2» та «1» – інверсію населення, посилення та генерацію на цьому переході.

Для отримання вузької лінії генерації, а також для можливості перебудови її за частотою в межах широкої смуги люмінесценції молекул барвника використовують дисперсійний резонатор із спектрально-селектуючими елементами (призмами, дифракційними ґратами, інтерферометрами та ін.) (рис. 8, б).

Можливість перебудови за довжиною хвилі в межах лінії люмінесценції (рис. 8,в ) без втрати потужності визначається швидкими безвипромінювальними переходами всередині електронних термів «2» та «1», ймовірність яких перевищує ймовірність індукованих переходів. Так, при налаштуванні резонатора на якусь довжину хвилі в межах лінії люмінесценції переходу «2»→«1» виникає лазерне випромінювання на переході між відповідними підрівнями «2»ʹ» та «1 ʹ », в результаті підрівень «2ʹ » індукованими переходами "очищається", а "1ʹ » - Додатково заселяється. Проте за рахунок ВІН та швидких переходів із сусідніх підрівнів усередині терму населення “генеруючого” підрівня «2ʹ » безперервно відновлюється. Одночасно підрівень «1ʹ » Швидкими переходами безупинно очищається, релаксуючи в кінцевому підсумку в стан «0». Таким чином, вся накачування верхнього електронного терму «2» стає накачуванням переходу «2ʹ »→«1 ʹ » і перетворюється на вузькосмугове монохроматичне лазерне випромінювання на частоті налаштування дисперсійного резонатора, і цю частоту можна варіювати.

Крім випромінювальних переходів S 1 → S 0 («2»→«1») Існує і ряд переходів, що знижують ефективність генерації. Це переходи: S 1 → Т 1 , що знижують населеність рівнів «2ʹ », переходи Т 1 →«1», що збільшують населеність рівнів «1ʹ », та переходи Т 1 → Т 2 , що поглинають лазерне випромінювання.

Лазери на барвниках бувають двох типів: знекогерентної (ламповий) оптичним накачуванням випромінюванням імпульсних ламп та імпульсним режимом роботи; а також зкогерентної накачуванням випромінюванням лазерів інших типів (газових або твердотілих) при безперервному, квазінеперервному або імпульсному режимі роботи. Якщо в лазері застосувати зміну барвників, а їх відомо більше тисячі, то таким способом можна "перекрити" випромінюванням всю видиму частину ІЧ області спектра (0,33 ... 1,8 мкм). У лазерах з когерентним накачуванням для отримання безперервного режиму як джерела накачування використовуються іонні. Ar - або Kr -Газові лазери. Для накачування барвників в імпульсному режимі застосовують газові лазери N 2 , парах міді, ексімерах, а також лазери на рубіні та неодимі з множенням частоти Часто доводиться використовувати прокачування розчину барвника, завдяки чому з активної зони виводяться молекули, що зазнали дисоціації під дією випромінювання накачування, і вводяться свіжі.

Лазери на барвниках, маючи Δν неодн ~10 13 Гц та М>10 4 , дозволяють у режимі пасивної синхронізації мод (див., розділ 3.3) здійснити генерацію ультракоротких імпульсів випромінювання (τ~10 14 …10 13 c).

Особливу групу складають лазери на барвниках із розподіленим зворотним зв'язком (РОС). У РОС-лазерах роль резонатора грає структура з показником заломлення і (або) посилення, що періодично змінюється. Зазвичай вона створюється в активному середовищі під дією двох пучок, що інтерферують, накачування. РОС-лазер характеризується вузькою лінією генерації (~10 2 см 1 ), яка може перебудовуватися у межах смуги посилення шляхом зміни кута між пучками накачування.

Серед сфер застосування лазерів на барвниках: фотохімія, селективне накачування квантових станів у спектроскопії, при розділенні ізотопів та ін.

3.5 Лазер, що перебудовується на сапфірі, легованому титаном. Плавну перебудову довжини хвилі генерації забезпечує твердотельний лазер на кристалі корунду, активованого титаном ( Al 2 O 3 : Ti 3+), званий сапфіром .

Кожен електронний стан Ti 3+ , складається з великої кількості «коливань підурівнів, що перекриваються», що призводить до ще ширших, ніж у барвника, безструктурних смуг поглинання і люмінесценції як результат складання «перекриваються» переходів між такими підрівнями. Усередині цих станів мають місце швидкі безвипромінні переходи з ймовірностями w ~10 9 з 1 , При тому, що ймовірності релаксації між електронними станами мають порядок 10 5 …10 6 з 1 .

Лазер на сапфірі належить до групи т.зв.вібронних лазерів, що відрізняються тим, що їх основний електронний терм являє собою смугу з коливальних підрівнів (кристалічної решітки), завдяки чому лазер працює за чотирирівневою схемою, і подібно до лазера на барвнику створює можливість плавної перебудови генерації в діапазоні 660 ... 1180 нм. Смуга поглинання простягається від 0,49 мкм до 0,54 мкм. Малий час життя збудженого стану «2» Ti 3+ робить малоефективною лампову накачування цього лазера, яка, як правило, здійснюється безперервним аргоновим лазером (488нм і 514,5нм), другий гармонікою неодимового лазера (530нм) або імпульсами випромінювання лазера на парах міді (510нм).

Безперечними перевагами сапфірового лазера з титаном є набагато більш висока допустима потужність накачування без деградації робочої речовини та ширша неоднорідно розширена лінія люмінесценції. В результаті в режимі синхронізації мод отримана послідовність імпульсів із тривалістю близько десятків фемтосекунд (1фс=10 15 с), а з подальшою компресією (стисненням) імпульсів у нелінійних волоконних світловодах – до 0,6 фс.

3.6. Лазери, що перебудовуються, на центрах фарбування. Такі лазери, як і розглянуті вище твердотілі лазери, як активну речовину використовують іонні кристали, але з центрами фарбування, званими F - центрами що дозволяє здійснювати перебудову їх випромінювання. Лазерні матеріали для таких лазерів: кристали фторидів та хлоридів лужних металів ( Li, Na, До, Rb ), а також фторидів Ca та Sr . Вплив на них іонізуючих випромінювань: гамма-квантів, електронів високих енергій, рентгенівського та жорсткого УФ випромінювань, а також прожарювання кристалів у парах лужних металів призводить до виникнення точкових дефектів кристалічних ґрат, що локалізують на собі електрони або дірки. Вакансія, що захопила електрон, утворює дефект, електронна структура якого подібна до структури атома водню. Такий центр фарбування має смуги поглинання у видимій та УФ областях спектру.

Схема генерації лазера на центрах фарбування аналогічна схемам рідинних лазерів на органічних барвниках. Вперше генерація вимушеного випромінювання на центрах фарбування була отримана в кристалах Cl - Li при імпульсному оптичному накачуванні. На даний момент генерація спостерігалася на великій кількості різних центрів забарвлення з ІКвипромінюванням в імпульсному та безперервному режимах з когерентною ВІН. Перебудова частоти випромінювання здійснюється за допомогою дисперсійних елементів (призм, дифракційних ґрат та ін.), що вміщуються в резонатор. Однак погані термо- та фотостабільність перешкоджають широкому застосуванню таких лазерів.

3.7. Волоконні лазери. Волоконними називають лазери, резонатор яких побудований з урахуванням оптичного волокна-хвильовода, що є і активним середовищем лазера, у якому генерується випромінювання (рис. 9). Використовується кварцове волокно, леговане рідкоземельними елементами. Nd, Ho, Er, Tm, Yb та ін), або пасивне волокно з використанням ефекту вимушеного раманівського розсіювання. В останньому випадку оптичний резонатор утворює світловод у поєднанні з "бреггівськими" гратами показника заломлення, "вбудованими" у волокно. Такі лазери називаютьволоконними “раманівськими ” лазерами. Випромінювання лазера поширюється всередині оптичного волокна і тому резонатор волоконного лазера відрізняється простотою і вимагає юстування. У волоконному лазері можна отримувати як одночастотну генерацію, і генерацію ультракоротких (фемтосекундних, пикосекундных) світлових імпульсів.

4. Параметрична генерація світла

Параметрична генерація світла(ПГС) здійснюється під дією лазерного оптичного випромінювання накачування в твердих тілах-кристалах, що мають нелінійні властивості, і характеризується досить високим коефіцієнтом перетворення (десятки відсотків). У цьому вдається плавно перебудовувати частоту вихідного випромінювання. У певному сенсі ПГС, як і розглянуте вище явище множення і складання частот, можна розглядати як генерацію випромінювання, що перебудовується, при когерентному оптичному накачуванні нелінійного кристала.

В основі явища ПГС, як і при множенні та додаванні частот лежать нелінійно-оптичні явища в середовищах. Розглянемо випадок, коли з середовищем, що володіє нелінійними властивостями і знаходиться у відкритому оптичному резонаторі (ТМР), взаємодіє лазерне випромінювання досить високої інтенсивності, що має частоту ν 0 (накачування). За рахунок накачування енергією цієї хвилі серед можуть виникати дві нові світлові хвилі:

1) хвиля “шумової” природи з деякою частотою ν 1 ;

2) хвиля з різницевою частотою (ν 0 – ν 1 ), яка є результатом нелінійної взаємодії випромінювання накачування та випадкового (шумового) хвилі з частотою ν 1 .

Причому частоти 1 і (ν 0 – ν 1 ) повинні бути власними частотами ГТР і для всіх трьох хвиль має виконуватисяумова хвильового синхронізму: . Іншими словами, світлова хвиля накачування з частотою ν 0 за допомогою допоміжної шумової хвилі з частотою ν 1 , перетворюється на хвилю з частотою (ν 0 - ν 1).

Перебудова частоти випромінювання ПГС здійснюється шляхом підбором орієнтації двопроменяючого нелінійного кристала шляхом його обертання, тобто. зміни кута між його оптичною віссю та віссю резонатора для того, щоб виконувалосяумова хвильового синхронізму. Кожному значенню кута відповідає чітко визначена комбінація частот ν 1 і (ν 0 – ν 1 ), котрим у цей час виконується умова хвильового синхронізму.

Для реалізації ПГС можуть використовуватися дві схеми:

1) “дворезонаторна” схема, коли хвилі, що генеруються, з частотами ν 1 і (ν 0 – ν 1 ) виникають в одному ОРМ, при цьому втрати ОРМ для них повинні бути малі;

2) "однорезонаторна" схема, коли в ОРМ генерується тільки одна хвиля з частотою (ν 0 - ν 1).

Як активне середовище може використовуватися кристал LiNbO 3 (ніобат літію), що накачується випромінюванням другої гармоніки ІАГ: Nd 3+ (λ0,53мкм) та плавну перебудову можна здійснювати в діапазоні до λ3,5мкм у межах 10%. Набір оптичних кристалів з різними областями нелінійності та прозорості дозволяє здійснювати перебудову в ІЧ області до 16 мкм.

5. Напівпровідникові лазери

Напівпровідниковіназивають такі твердотільні лазери, у яких як активного середовища (робочої речовини) використовуються кристали напівпровідників різного складу з інверсією населеностей на квантовому переході. Вирішальний внесок у створення та вдосконалення таких лазерів зробили наші співвітчизники Н.Г.Басов, Ж.І.Алферов та їхні співробітники.

5.1. Принцип дії. У напівпровідникових лазерах, на відміну від лазерів інших типів (у тому числі й інших твердотілих), використовуються випромінювальні переходи не між ізольованими енергетичними рівнями атомів, молекул та іонів, що не взаємодіють або слабо взаємодіють між собою, а між дозволенимиенергетичними зонамикристала. Випромінювання (люмінесценція) та генерація вимушеного випромінювання в напівпровідниках обумовлена квантовими переходами електронів як між енергетичними рівнями зони провідності та валентної зони, так і між рівнями цих зон та домішковими рівнями: переходи донорний рівень – акцепторний рівень, зона провідності – акцепторний рівень, донорний рівень валентна зона, у тому числі через екситонні стани. Кожній енергетичній зоні відповідає дуже велике (~10 23 …10 24 ) Число дозволених станів. Оскільки електрони відносяться до ферміонів; то, наприклад,валентна зона може бути повністю або частково заповнена електронами: із щільністю, що зменшується знизу вгору за шкалою енергій – подібно до розподілу Больцмана в атомах.

В основі випромінювання напівпровідників лежить явищеелектролюмінесценції. Фотон випускається внаслідок актурекомбінації носіїв заряду-електрона та "дірки" (електрон із зони провідності займає вакансію у валентній зоні), при цьому довжина хвилі випромінювання визначаєтьсяшириною забороненої зони. Якщо створити такі умови, що електрон і дірка перед рекомбінацією будуть перебувати в одній області простору досить довгий час, і в цей момент через цю область простору пройде фотон з частотою, що знаходиться в резонансі з квантовим переходом, то він може індукувати процес рекомбінації з випромінюванням другого фотона, причому його напрямок, векторполяризації та фаза точно співпадатимуть з тими ж характеристиками, що й у першого фотона. Наприклад, ввласних (“чистих”, “безпримесных”) напівпровідниках, є заповнена валентна зона і майже вільна зона провідності. При міжзонних переходах для виникнення інверсії та отримання генерації необхідно створити надмірні нерівноважні концентрації носіїв заряду: у зоні провідності – електронів, а у валентній зоні – дірок. У цьому інтервал між квазірівнями Фермі має перевищувати ширину забороненої зони, тобто. один або обидва квазі рівні Фермі будуть знаходитися всередині дозволених зон на відстані не більше kT від своїх кордонів. А це передбачає збудження такої інтенсивності, щоб було створеновиродження у зоні провідності та у валентній зоні.

Перші напівпровідникові лазери використовували арсенід галію (GaAs), працювали в імпульсному режимі, випромінювали в ІЧ діапазоні та вимагали інтенсивного охолодження. Подальші дослідження дозволили внести багато суттєвих покращень у фізику та техніку лазерів такого типу, і в даний час вони випромінюють і у видимому, і УФ діапазонах.

Виродження напівпровідника досягається шляхом його сильного легування при високій концентрації домішки, такої, що виявляються переважно властивості домішки, а не властивості власного напівпровідника. Кожен атомдонорною домішки віддає у зону провідності кристала одне із своїх електронів. Навпаки, атомакцепторнийдомішки захоплює один електрон, який узагальнений кристалом і був у валентної зоні. Виродженийnнапівпровідник виходить, наприклад, при внесенні вGaAsдомішки телуру (концентрація 3...5·1018 см3 ), а виродженийpнапівпровідник – домішки цинку (концентрація 1019 см3 ). Генерація складає ІЧ довжинах хвиль від 0,82 мкм до 0,9 мкм. Поширені та структури, вирощені на підкладкахInP(ІК область λ1...3 мкм).

Напівпровідниковий кристал найпростішого лазерного діода, що працює на "гомопереході" (рис. 10), має вигляд тонкої прямокутної пластинки. Така платівка по суті є оптичною.хвилеводомде поширюється випромінювання. Верхній шар кристалалегуєтьсядля створенняpобласті, а в нижньому шарі створюєтьсяnобласть. В результаті виходить плоскийpnперехід великої площі. Дві бічні сторони (торці) кристала сколюють і полірують для утворення гладких паралельних площин, що відбивають, які утворюють відкритий оптичний резонатор-інтерферометр Фабрі-Перо. Випадковий фотон спонтанного випромінювання, випущений у площиніpnпереходу перпендикулярно відбивачам, проходячи вздовж резонатора, викликатиме змушені рекомбінаційні переходи, створюючи нові та нові фотони з тими самими параметрами, тобто. випромінювання посилюватиметься, почнеться генерація. При цьому лазерний промінь формуватиметься за рахунок неодноразового проходу по оптичному хвилеводу та відображення від торців.

Найважливішим видом накачування у напівпровідникових лазерах єінжекційнанакачування. При цьому активними частинками служать вільні носії заряду - надлишкові нерівноважні електрони провідності та дірки, якіінжектуютьсявp-n-Перехід (активне середовище), при пропусканні через нього електричного струму в "прямому" напрямку при "прямому" зміщенні, що зменшує висоту потенційного бар'єру. Це дозволяє здійснити безпосереднє перетворення електричної енергії (струму) на когерентне випромінювання.

Іншими способами накачування є електричний пробій (в т. зв.стрімернихлазерах), накачування пучком електронів та оптичне накачування.

5.2. ДГС-лазери. Якщо розташувати шар із більш вузькоюзабороненою зоною(активна область) між двома шарами з ширшою забороненою зоною, буде створено т.зв.гетероструктура. Лазер, який її використовує, називають лазером на подвійнийгетероструктурі(ДГС-лазер, або “double heterostructure”, DHS- laser). Така структура утворюється при з'єднанніарсеніду галію(GaAs) таарсеніду алюмінію-галію(AlGaAs). Достоїнство таких лазерів полягає в малій товщині середнього шару - активної області, де локалізуються електрони та дірки: світло додатково відбивається від гетеропереходів, і випромінювання буде укладено в області максимального посилення.

Якщо з двох сторін кристала ДГС-лазера додати ще два шари з меншим показником заломлення в порівнянні з центральними, то утворюється нагадуючасвітловодструктура, що більш ефективно утримує випромінювання (ДГС-лазерз роздільним утриманням, або “separate confinement heterostructure”, SCHS- laser). Більшість лазерів, вироблених останніми десятиліттями, виготовлені саме за такою технологією. Розвиток сучасної оптоелектроніки, сонячної енергетики відбувається з урахуванням квантових гетероструктур: зокрема. з квантовими "ямами", квантовими "точками".

5.3. РОС- та ВРПІ-лазери. У лазерах зрозподіленим зворотним зв'язком(РОС або “distributedfeedback” DFBlaser) в районіp- nпереходу наноситься система поперечних рельєфних "штрихів", що утворюютьдифракційні грати. Завдяки цій решітці випромінювання лише з однією довжиною хвилі повертається назад у резонатор, і на ній відбувається генерація, тобто випромінювання. здійснюється стабілізація довжини хвилі випромінювання (лазери для багаточастотного волоконно-оптичного зв'язку).

Напівпровідниковий "торцевий" лазер, що випромінює світло в напрямку, перпендикулярному поверхні кристала і званий лазером "з вертикальним резонатором та поверхневим випромінюванням" (ВРПІ-лазер, або "verticalcavitysurface- emitting”: VCSElaser), має симетричну діаграму спрямованості випромінювання з малим кутом розбіжності.

В активному середовищі напівпровідникового лазера може досягатися велике посилення (до 104 см-1 ), завдяки чому розміри активного елемента П. л. лазера виключно малі (довжина резонатора-50 мкм ... 1 мм). Крім компактності, особливостями напівпровідникових лазерів є простота управління інтенсивністю шляхом зміни величини струму, мала інерційність (~109 с), високий ккд (до 50%), можливість спектральної перебудови та великий вибір речовин для генерації у широкому спектральному діапазоні від УФ, видимого до середнього ІЧ. У той же час, порівняно з газовими лазерами напівпровідникові відрізняються відносно низьким ступенем монохроматичності та когерентності випромінювання і не можуть випромінювати на різних довжинах хвиль одночасно. Напівпровідникові лазери можуть бути як одномодовими, і багатомодовими (з великою шириною активної зони). Багатомодові лазери застосовуються у тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова малої розбіжності променя. Областями застосування напівпровідникових лазерів є: пристрої обробки інформації-сканери, принтери, оптичні пристрої та ін., вимірювальні пристрої, накачування інших лазерів, лазерні цілепоказники, волоконна оптика і техніка.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Карлов Н. В.Лекції з квантової електроніки М.: Наука, 1988. 2-ге вид., -336с.
Звелто О.Принципи лазерів М: Мир, 1984, -395с.; 3-тє вид. 1990, 560с.; 4-те вид. 1998, -540с.
Піхтін О.М.Оптична та квантова електроніка. М: Вища школа, 2001. -573с.
Ахманов С.А., Нікітін С.Ю.Фізична оптика. М.: Изд.МГУ, 2004. 2-ге вид.- 656с.
Малишев В.А.Фізичні засади лазерної техніки. М: Вища школа, 200 -543с.
Тарасов Л.В.Фізика процесів у генераторах когерентного оптичного випромінювання. М: Радіо і зв'язок, 1981, -440с.
Яковленко С.І., Євтушенко Г.С.Фізичні засади квантової електроніки. Томськ: Вид. ТГУ, 2006. –363с.
Іванов І.Г., Латуш Є.Л., Сем М.Ф.Іонні лазери на парах металів. М.: Вища школа, 1990. -256с.
Фізична енциклопедія. У 5 т. М.: "Російська енциклопедія". 1988–1998.
Іванов І.Г.Газовий розряд та його застосування у фотоніці. Навчальний посібник. Ростов н/Д: Изд. ПФУ, 2009. -96с.
Електроніка Енциклопедичний словник. М: Енциклопедія, 1991. -688с.
Іванов В.А., Привалов В.Є.Застосування лазерів у приладах точної механіки. СПб.: Політехніка, 1993. -216с.;Голікова Є.В., Привалов В.Є.Розрахунок ліній поглинання лазерів, стабілізованих по реперам йоду. Препрінт №53. С-Пб: Інститут Аналітичного приладобудування РАН. 1992. -47с.
Калашніков С.Г.Електрика. -М.: Фізматліт. 2003. -624с.
Фізична енциклопедія// Хімічний лазер.URL: http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
Крюков П.Г. Фемтосекундні імпульси. Введення у нову область лазерної фізики. - М.: Фізматліт.2008. -208 з.
Yanovsky V. та ін. Optics Express. 2008. Vol. 16. N3, P.2109- 2114 .

Total:0
Вконтакте 0
Google+ 0
ОК 0
Facebook 0