Принцип действия лазера

Генератор излучения в оптическом диапазоне называется лазером. В соот­ветствии с ГОСТ 15093—75 лазер — это генератор электромагнитного излуче­ния оптического диапазона, принцип действия которого основан на использо­вании вынужденного излучения. Структурная схема лазера, представленная на рисунке 1, включает три основных элемента: лазерную активную среду (активную среду), систему накачки и оптический резонатор.

     

	Рисунок 1 – Структурная схема лазера

В основе одного из наиболее распространенных методов генерации незату­хающих колебаний, хорошо разработанном в электронике и радиотехнике, ле­жит использование усилительного элемента, охваченного положительной обрат­ной связью. В квантовой электронике в качестве усилительного элемента ис­пользуется активная среда, а положительную обратную связь обеспечивает оп­тический резонатор, образованный в простейшем случае обращенными друг к другу отражающими поверхностями (зеркалами). Оптическое излучение, ко­торое распространяется в направлении, перпендикулярном к зеркалам резона­тора, будет поочередно отражаться от них и усиливаться при каждом проходе через активную среду. Такие многократные проходы излучения через одну и ту же среду эквивалентны увеличению ее протяженности и обеспечивают полу­чение больших коэффициентов усиления при относительно малых длинах ак­тивной среды. Для вывода излучения одно из зеркал делают полу­прозрачным. Изменяя коэффициент его отражения r₂, можно регулировать ве­личину обратной связи.

Среда, в которой создана инверсная населенность хотя бы для одной пары энергетических уровней и которая способна усиливать излучение на частоте лазерного перехода, называется лазерной активной средой. Квантовые перехо­ды между уровнями с инверсной населенностью называются лазерными пере­ходами.

Процессы, приводящие к возникновению инверсной населенности в актив­ной среде, называются накачкой, а физическая система, обеспечивающая эти процессы, — системой накачки. Вещество, в котором в процессе накачки мо­жет быть создана лазерная активная среда, называется лазерным веществом.

Оптический резонатор — это система отражающих, преломляющих, фоку­сирующих, дисперсионных и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электро­магнитного поля оптического диапазона, называемые собственными колеба­ниями или модами резонатора.

Естественно, не всякая система усилительная среда – резонатор является генератором. Необходимо ещё выполнение условия самовозбуждения, смысл которого для лазера заключается в том, что потери энергии оптического излучения за один проход через активную среду должны быть скомпенсированы усилением за этот же проход. При этом в общий баланс должны быть включе­ны как потери энергии на излучение, вышедшее за пределы резонатора (полез­ные потери), так и паразитные потери на рассеяние излучения, его поглощение в активной среде и зеркалах резонатора.

       Если ввести для описания суммарных потерь коэффициент потерь β, то интенсивность излучения, прошедшего в активной среде расстояние l, определится по формуле

,

где α ~ (N₂ – N₁) – коэффициент квантового усиления, прямо пропорциональный инверсии населённостей лазерных уровней. Условие начала генерации (порог генерации) определяется равенством α₀ = β₀, где α₀ – пороговое значение коэффициента усиления активного элемента лазера, β₀ – коэффициент полных потерь электромагнитной энергии за один проход.

Условие самовоз­буждения выполняется при достижении некоторой пороговой плотности ин­версии ΔN=α₀. В этом случае генерация излучения начнется из любого спонтан­но излученного кванта, частота которого совпадает с частотой лазерного пере­хода. Условия стационарной генерации имеют вид:

где r_eff   - некоторый эффективный коэффициент отражения зеркал, меньший их истинного коэффициента отражения r, L  – длина резонатора. Величина   f   – относительные потери энергии. Они связаны с добротностью резонатора и его длиной соотношением

Q = 2L/(λf) = q/f,

где λ –длина волны, q  –число полуволн, укладывающихся на длине резонатора L.

Принцип квантового усиления отличается от классического, использующего свойства автоколебательных систем. Усиление в данном слу­чае достигается в результате суммирования энергий излучения огромного мно­жества идентичных элементарных колебательных систем, в качестве которых используются атомы, ионы или молекулы вещества. Нужные фазовые соотно­шения при таком суммировании выполняются автоматически за счет физи­ческой природы процессов вынужденного испускания, обеспечивающей коге­рентность усиления. Роль свободных колебаний в момент "запуска" играют соответствующие спонтанные переходы. Энергия, необходимая для возбужде­ния частиц с целью создания инверсной населенности, поступает от системы на­качки.

На рисунке 2 представлены схемы переходов и зависимости населенностей уровней при двух-, трёх- и четырёхуровневой системе возбуждения.

Анализируя их, видим, что в двухуровневой схеме получение инверсной населённости невозможно.

В трёхуровневой системе инверсная населённость имеет место, если плотность мощности излучения накачки превышает пороговое значение плотности накачки по инверсии ρ_инв, а генерация начинается, если превышено поровое значение плотности мощности накачки по генерации ρ ≥ ρ_{ген ,} при котором выполнено условие квантового усиления.

 

Рисунок 2 – Схемы уровней и зависимости населенности уровней от плотности мощности накачки в двух-, трёх- и четырёхуровневой схемах возбуждения

             

 

 

В четырехуровневой схеме каналы накачки и лазерной гене­рации полностью разделены. Пороговая плотность накачки по инверсии в четырехуровневой схеме возбуждения близка к нулю. Четырехуровневая схема возбуждения лазера оказывается с энергетической точки зрения несомненно более эффективной по сравнению с трехуровневой. Использование лазерного вещества, обладающего подобной структурой энергетических уровней, позволяет достигать высоких параметров лазерного излучения при сравнительно невысоких энергетических затратах.

В зависимости от того, какова активная среда лазера, различают газовые, жидкостные, твердотельные лазеры.

       Среди газовых лазеров выделяют атомарные (пример – гелий-неоновый лазер), молекулярные (лазер на CO₂), ионные (LiF). Выделяют особо экситонные лазеры, рабочим веществом в которых являются возбужденные (экситонные) молекулы инертных газов (аргон). Жидкостные лазеры характеризуются возможностью перестраивания частоты генерируемого излучения в пределах диапазона, соответствующего полосе поглощения растворённого в жидкости лазерного вещества (например, родамина 6Ж). Твердотельные лазеры содержат в качестве активного элемента кристаллические (рубиновый лазер) или стеклянные (неодимовый лазер) стержни, легированные ионами, при переходе между уровнями которых возможна лазерная генерация (соответственно – ионы хрома и неодима).

       В зависимости от режима действия различают лазеры непрерывного действия и импульсные лазеры.

       Импульсный режим работы лазера может быть обусловлен импульсным режимом возбуждения или условиями генерации. В режиме импульсного возбуждения (в отсутствие специальных мер) реализуется режим свободной генерации, и при прекращении возбуждения генерация прекращается.

Особый практический интерес представляет режим гигантских импульсов, для получения которых используется модуляция добротности резонатора (например, посредством специальных оптических затворов).

Характеристиками лазеров является длина волны генерируемого излучения, степень монохроматичности излучения, расходимость излучения, плотность мощности генерируемого излучения, энергия в импульсе, длительность импульса, скважность импульсов и др.

Свойства лазерного излучения – высокая монохроматичность, когерентность, высокая плотность мощности и огромная яркость (в 10¹⁰ ÷ 10¹² раз ярче Солнца), малая расходимость.