В такой схеме (рис. 1) нижним лазерным уровнем "1" является основное энергетическое состояние ансамбля частиц, верхним лазерным уровнем "2" является относительно долгоживущий уровень, а уровень "3", связанный с уровнем "2" быстрым безызлучательным переходом, является вспомогательным. Оптическая накачка действует по каналу "1">"3".

Рис. 1. "Трёхуровневая" схема при оптической накачке

Найдем условие существования инверсии между уровнями "2" и "1". Полагая статистические веса уровней одинаковыми g1=g2=g3, запишем систему кинетических (балансных) уравнений для уровней "3" и "2" в стационарном приближении, а также соотношение для числа частиц на уровнях:

где n1, n2, n3 - концентрации частиц на уровнях 1, 2 и 3, Wn1 и Wn3 - скорости поглощения и индуцированного излучения на переходах между уровнями "1" и "3" под действием излучения накачки, вероятность которой W; wik - вероятности переходов между уровнями, N-полное число активных частиц в единице объёма.

Из (2) можно найти населённости уровней n2 и n1, как функцию W, и их разность Дn в виде

которая определяет ненасыщенный коэффициент усиления б0 ансамбля частиц на переходе "2">"1". Для того, чтобы б0>0, необходимо, чтобы, т.е. числитель в (3) должен быть положительным:

где Wпор - пороговый уровень накачки. Так как всегда Wпор>0, то отсюда следует, что w32>w21, т.е. вероятность накачки уровня "2" релаксационными переходами с уровня "3" должна быть больше вероятности его релаксации в состояние "1".

В случае, если

w32 >>w21 и w32 >>w31, (5)

то из (3) получим: . И, наконец, если W>>w21, то инверсия Дn будет: Дn?n2?N, т.е. на уровне "2" можно "собрать" все частицы среды. Заметим, что соотношения (5) для скоростей релаксации уровней отвечают условиям генерации "пичков" (см., Раздел 3.1).

Таким образом, в трёхуровневой системе с оптической накачкой:

1) инверсия возможна, если w32>>w21 и максимальна когда w32>>w31;

2) инверсия возникает при W>Wпор, т.е. создание носит пороговый характер;

3) при невысоких w21 создаются условия для "пичкового" режима свободной генерации лазера.

Этот твёрдотельный лазер является первым лазером, заработавшим в видимом диапазоне длин волн (Т.Мейман, 1960 г.). Рубином называют синтетический кристалл Аl2O3 в модификации корунд (матрица) с примесью 0,05% ионов-активаторов Cr3+ (концентрация ионов ~1,6 1019 см_3), и обозначается как Аl2O3:Cr3+. Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме с ОН (рис. 2,а). Лазерными уровнями являются электронные уровни Cr3+: нижний лазерный уровень "1" является основным энергетическим состоянием Cr3+ в Аl2O3, верхний лазерный уровень "2" - долгоживущий метастабильный уровень с ф2~10_3с. Уровни "3а" и "3б" являются вспомогательными. Переходы "1">"3а" и "1">"3б" принадлежат к синей (л0,41мкм) и "зелёной" (л0,56мкм) частям спектра, и представляют собой широкие (с Дл~50нм) контура поглощения (полосы).

Рис. 2. Рубиновый лазер. (а) - Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 (корунде); (б) - конструктивная схема лазера, работающего в импульсном режиме с модуляцией добротности. 1 - рубиновый стержень, 2 - лампа накачки, 3 - эллиптический отражатель, 4а - неподвижное зеркало резонатора, 4б - вращающееся зеркало резонатора, модулирующее добротность резонатора, Сн - накопительный конденсатор, R - зарядный резистор, "Кн" - кнопка пуска импульса тока через лампу; показан вход и выход охлаждающей воды.

Метод оптической накачки обеспечивает селективное заселение вспомогательных уровней "3а" и "3б" Cr3+ по каналу "1">"3" ионами Cr3+ при поглощении ионами Cr3+ излучения импульсной ксеноновой лампы. Затем за сравнительно малое время (~10_8 с) происходит безызлучательный переход этих ионов из "3а" и "3б" - на уровни "2". Выделяющаяся при этом энергия превращается в колебания кристаллической решетки. При достаточной плотности с энергии излучения источника накачки: когда, и на переходе "2">"1" возникает инверсия населённостей и генерация излучения в красной области спектра на л694,3нм и л692,9 нм. Пороговая величина накачки с учётом статвесов уровней соответствует переводу на уровень "2" около? всех активных частиц, что при накачке с л0,56 мкм требует удельную энергию излучения Епор>2Дж/см 3 (и мощность Рпор>2кВт/см 3 при длительности импульса накачки ф?10_3c). Столь высокое значение вкладываемой в лампу и рубиновый стержень мощности при стационарной ОН может привести к его разрушению, поэтому лазер работает в импульсном режиме и требует интенсивного водяного охлаждения.

Схема лазера показана на рис. 2,б. Лампа накачки (лампа-вспышка) и рубиновый стержень для повышения эффективности накачки располагаются внутри отражателя с цилиндрической внутренней поверхностью и сечением в форме эллипса, причём лампа и стержень располагаются в фокальных точках эллипса. В результате всё излучение, выходящее из лампы, оказывается сфокусированным в стержне. Импульс света лампы возникает при пропускании через неё импульса тока путём разряда накопительного конденсатора в момент замыкания контактов кнопкой "Кн". Охлаждающая вода прокачивается внутри отражателя. Энергия излучения лазера в импульсе достигает нескольких джоулей.

Импульсный режим работы этого лазера может быть одним из следующих (см., Раздел 3):

1) режим "свободной генерации" при малой частоте повторения импульсов (обычно 0,1-10 Гц);

2) режим "модулированной добротности", обычно оптико-механический. На рис. 2,б модуляция добротности ООР осуществляется путём вращения зеркала;

3) режим "синхронизации мод": при ширине линии излучения Дннеодн~1011Гц,

число продольных мод М~102, длительность импульса ~10 пс.

Среди применений рубинового лазера: голографические системы записи изображений, обработка материалов, оптические дальномеры и др.

Широко применяется в медицине и лазер на BeAl2O4:Cr3+ (хризоберилле, легированном хромом, или александрите), излучающий в диапазоне 0,7-0,82 мкм.

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер» , однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.

За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

• газовыми;
• жидкостными;
• твердотельными;
• на свободных электронах.

В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

• при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
• при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
• при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
• путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
• путём электронно-лучевой накачки среды;
• ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
• при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

• резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
• нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
• сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
• формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
• передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
• выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
• косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
• наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
• создание и использование голографических методов;
• применение в различных научно-исследовательских работах;
• измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
• запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

Прежде всего рассмотрим лазер, работающий по четырехуровневой схеме и имеющий для простоты лишь одну полосу поглощения накачки (полоса 3 на рис. 5.1). Впрочем, последующий анализ останется без изменения, даже если мы будем иметь дело с более чем одной полосой (или уровнем) поглощения накачки, при условии, что релаксация из этих полос на верхний лазерный уровень 2 происходит очень быстро. Обозначим

населенности четырех уровней 0, 1, 2 и 3 соответственно через Будем считать, что лазер генерирует только на одной моде резонатора. Пусть - полное число фотонов в резонаторе. Считая, что переходы между уровнями 3 и 2 и уровнями 1 и 0 являются быстрыми, можно положить . Таким образом, мы имеем следующие скоростные уравнения:

В уравнении (5.1а) величина представляет собой полное число активных атомов (или молекул). В уравнении (5.16) слагаемое учитывает накачку [см. уравнение (1.10)]. Явные выражения для скорости накачки как в случае оптической, так и электрической накачки уже были получены в гл. 3. В том же уравнении член соответствует вынужденному излучению. Скорость вынужденного излучения как показано в гл. 2, действительно пропорциональна квадрату электрического поля электромагнитной волны и, следовательно, пропорциональна Поэтому коэффициент В можно рассматривать как скорость вынужденного излучения на один фотон в моде. Величина представляет собой время жизни верхнего лазерного уровня и в общем случае определяется выражением (2.123). В уравнении (5.1 в) член соответствует скорости изменения числа фотонов вследствие вынужденного излучения. Действительно, как мы уже видели, член в уравнении (5.16) представляет собой скорость уменьшения населенности за счет вынужденного излучения. Поскольку каждый акт вынужденного излучения приводит к появлению фотона, скорость увеличения числа фотонов должна быть равна где - объем, занимаемый модой внутри активной среды (точное определение модового объема дано ниже). Наконец, член [где - время жизни фотона (см. разд. 4.3)] учитывает уменьшение числа фотонов из-за потерь в резонаторе.

Рис. 5.1. Схема энергетических уровней четырехуровиевого лазера.

Строгое определение объема моды требует подробного рассмотрения, которое приводится в приложении Б. В результате мы имеем следующее определение

где - распределение электрического поля внутри резонатора, Е - максимальное значение этого поля, а интегрирование производится по объему, занимаемому активной средой. Если рассматривается резонатор с двумя сферическими зеркалами, то отношение равно вещественной части выражения (4.95). Уместно привести в качестве примера симметричный резонатор, состоящий из двух зеркал, радиусы кривизны которых много больше, чем длина резонатора. Тогда размер пятна моды будет приблизительно постоянным по всей длине резонатора и равным значению в центре резонатора. Аналогичным образом радиус кривизны эквифазных поверхностей будет достаточно большим и волновые фронты можно считать плоскими. Тогда из выражения (4.95) для моды получаем

здесь мы положили Из выражений (5.2) и (5.3) имеем

где - длина активной среды. При выводе этого выражения мы учли тот факт, что является медленно меняющейся функцией по сравнению с так что можно положить Таким образом, появление четверки в знаменателе выражения (5.4) является результатом следующих двух обстоятельств: 1) наличие множителя 1/2 обусловлено тем, что мода имеет характер стоячей волны, так что в соответствии с приведенными выше рассуждениями ; 2) еще один множитель 1/2 появляется из-за того, что - это размер пятна для амплитуды поля Е, в то время как размер пятна для интенсивности поля (т. е. для очевидно, в раз меньше.

Прежде чем продолжить наше рассмотрение, следует заметить, что в выражении (5.1 в) пренебрегается слагаемым, учитывающим спонтанное излучение. В действительности же, как отмечалось в гл. 1, генерация возникает за счет спонтанного излучения; поэтому следует ожидать, что уравнения (5.1) не дают правильного описания возникновения генерации. В самом деле, если в уравнении (5.1 в) положить в момент времени то мы получим , следовательно, генерация не сможет возникнуть. Для учета спонтанного излучения можно было бы снова попытаться, исходя из простого условия баланса, начать рассмотрение с члена который в уравнении (5.16) входит в слагаемое При этом может показаться,

что в уравнении (5.1в) слагаемое, учитывающее спонтанное излучение, должно было бы иметь следующий вид: Однако это неверно. На самом же деле, как показано в разд. 2.4.3 [см., в частности, выражение (2.115)], спонтанное излучение распределено в некотором частотном интервале и форма его линии описывается функцией Однако в уравнении (5.1 в) член, учитывающий спонтанное излучение, должен включать в себя лишь ту долю этого излучения, которая дает вклад в рассматриваемую моду. Правильное выражение для этого члена можно вывести только из квантовомеханического рассмотрения электромагнитного поля моды резонатора. Получаемый при этом результат является очень простым и поучительным . В случае когда учитывается спонтанное излучение, уравнение (5.1 в) преобразуется к виду

Все это выглядит так, как будто члену, отвечающему вынужденному излучению, мы добавили «дополнительный фотон». Однако ради простоты мы не будем в дальнейшем вводить такого дополнительного члена, связанного со спонтанным излучением, а вместо этого предположим, что в начальный момент времени в резонаторе уже присутствует некоторое небольшое число фотонов Как мы увидим, введение этого небольшого числа фотонов, которое необходимо лишь для возникновения генерации, в действительности никоим образом не сказывается на последующем рассмотрении.

Займемся теперь выводом явных выражений для величины В, которая входит в уравнения (5.16) и (5.1 в). Строгое выражение для этой величины выводится снова в Приложении Б. Для большинства практических целей подходит приближенное выражение, которое можно получить, исходя из простых соображений. Для этого рассмотрим резонатор длиной в котором находится активная среда длиной с показателем преломления Можно считать, что мода резонатора образована суперпозицией двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Пусть I - интенсивность одной из этих волн. В соответствии с выражением (1.7) при прохождении волны через слой активной среды ее интенсивность изменяется на величину где а - сечение перехода на частоте рассматриваемой моды резонатора. Определим теперь следующие величины: и -коэффициенты пропускания двух зеркал резонатора по мощности; - соответствующие относительные коэффициенты потерь на зеркалах; 3) Г, - относительный коэффициент внутренних потерь за проход. Тогда изменение интенсивности за полный проход резонатора

Здесь и - логарифмические потери за проход, обусловленные пропусканием зеркал, а - внутренние логарифмические потери. Для краткости будем называть у, и потерями на пропускание, а - внутренними потерями. Как станет ясно в дальнейшем, благодаря экспоненциальному характеру лазерного усиления запись с помощью логарифмических потерь значительно более удобна для представления потерь в лазерах. Однако следует заметить, что, хотя для небольших значений пропускания, для больших значений пропускания это неверно. Приведем пример: если положить то получим т. е. , в то время как для имеем Следует также заметить, что с помощью выражений (5.7) можно определить полные потери за проход:

Определив логарифмические потери , подставим выражения (5.7) и (5.8) в (5.6). Вводя дополнительное условие

экспоненциальную функцию в (5.6) можно разложить в степенной ряд, и мы получаем

Разделим обе части этого выражения на интервал времени за который световая волна совершает полный проход резонатора,

т. е. на величину где определяется выражением

Используя приближение получаем

Поскольку число фотонов в резонаторе пропорционально интенсивности уравнение (5.12) можно сравнить с (5.1в). При этом получаем следующие выражения:

Величину V мы будем называть эффективным объемом моды резонатора. Заметим, что формула (5.136) обобщает полученное в разд. 4.3 выражение для времени жизни фотона. Кроме того, выражение (5.14) для объема резонатора справедливо лишь приблизительно. На самом деле в Приложении Б показано, что в (5.13а) следует использовать более строгое выражение для V, а именно

здесь первый интеграл берется по объему активной среды, а второй - по оставшемуся объему резонатора. Заметим, впрочем, что для симметричного резонатора с зеркалами большого радиуса кривизны оба выражения (5.14) и (5.15) дают

До сих пор наше рассмотрение было направлено на обоснование уравнения (5.1 в) и на вывод явных выражений для В и через измеряемые параметры лазера. Однако следует заметить, что мы указали также и на пределы применимости уравнения (5.1в). Действительно, при выводе уравнения (5.12) нам пришлось использовать приближение (5.9), согласно которому разница между усилением и потерями невелика. Для непрерывного лазера это условие всегда выполняется, поскольку в установившемся процессе (см. разд. 5.3.1). А вот для импульсного лазера условие (5.9) будет справедливо лишь тогда, когда лазер работает при малом превышении над порогом. Если условие (5.9) не выполняется, то неприменимы и уравнения

Лазер - это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
Название лазер - это аббревиатура английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) . усиление света с помощью вынужденного излучения.
Все лазерные системы можно разделить на группы в зависимости от типа используемой активной среды. Важнейшими типами лазеров являются:

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.

Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.