Применение лазеров

В неорганические растворители в настоящее время вводят только один активный элемент — неодим. Генерация идет по четырехуровневой схеме. Излучение накачки поглощается собственными полосами поглощения иона неодима. В качестве растворителя часто используют двухкомпонентные смеси оксихлоридов селена (SеОС12 ) и фосфора (РОС13 ) с галогенидами элементов III, IV и V групп.

Наиболее эффективными лазерными материалами на органических красителях являются кумарины, фталимиды, производные окзасола и диозола, ксантеновые, полиметиновые и оксазиновые красители. Активным веществом в них выступает краситель, а матрицей — растворитель. Спектр генерации органических красителей без селекции типов колебаний обычно составляет 5—20 нм. Введением селективных элементов можно сузить спектр лазерного излучения до 0,05—1 нм без существенного уменьшения выходной мощности и осуществлять перестройку длины волны излучения в одном и том же растворе в пределах десятков нанометров. Перестройка в более широком диапазоне возможна путем изменения концентрации и состава раствора красителя.

В жидких лазерных средах может быть достигнута большая концентрация активных частиц, что позволяет получать, так же как и в лазерах на твердом теле, большие энергии и мощности излучения с единицы объема активного вещества. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, вследствие чего их оптические характеристики по объему изотропны и постоянны, а это способствует получению излучения с высокой степенью пространственной когерентности и направленности. В жидкостных лазерах не возникают необратимые разрушения активного вещества при больших плотностях энергии.

К недостаткам жидких лазерных материалов следует отнести высокие значения температурных изменений коэффициента преломления, что приводит к появлению значительных оптических неоднородностей и к ухудшению генерационных характеристик. При больших плотностях лазерного излучения необходимо считаться также с нелинейными эффектами.

Газовые активные среды лазеров существенно отличаются от описанных выше тем, что позволяют генерировать излучение в широком диапазоне длин волн (от ваккумной ультрафиолетовой области до инфракрасного, практически субмиллиметрового, диапазона) в импульсном и непрерывном режимах. Газообразность активной среды обусловливает ряд специфических особенностей газовых лазеров. Им свойственна высокая монохроматичность и направленность излучения, поскольку газы имеют существенно меньшую плотность и большую однородность.

При малой плотности газа уширение линий люминесценции происходит только вследствие эффекта Доплера и существенно меньше, чем в конденсированных средах. Это позволяет получать высокомонохроматичное излучение.

Малая плотность газа не позволяет получить такую концентрацию активных частиц, как у конденсированных сред, и, следовательно, удельный энергосъем у газов существенно меньше, это утверждение справедливо для отпаянных лазеров; использование газовых лазеров высокого давления, применение прокачки газа существенно повысили мощность излучения Лазеров.

Кроме того, газовые среды возбуждаются вследствие разнообразных процессов — соударений в электрическом разряде, химических реакций, фотодиссоциации, газодинамических процессов, оптической накачки.

В газовых лазерах в качестве активного вещества используются:

— нейтральные атомы газов (Н, Не, О, Ne и др.), металлов (пары меди, золота, тулия, иттербия и др.);

— ионизированные атомы аргона (Аг), ксенона (Хе), азота (N), свинца (РЬ) и др.;

— двухатомные — СО (угарный газ), многоатомные — СО2 (углекислый газ), Н2 О (вода) и молекулы других газов.

В активных веществах на нейтральных и ионизированных атомах для получения лазерного излучения используются переходы между электронными уровнями, а в молекулярных лазерах — между электронными, электронно-колебательными, колебательными, колебательно-вращательными и чисто вращательными уровнями. Генерирование лазерного излучения происходит в большинстве случаев по многоуровневой схеме.

 

Рис.1 Четырехуровневая система накачки в Гелий-Неоновом лазере.

 

2.3 Резонаторы

В лазерной технике в качестве резонаторов используются отражатели (зеркала), между которыми располагается активное вещество. В простейшем случае открытый резонатор состоит из двух плоскопараллельных зеркал. Использовать его для получения генерации в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах волн предложил А. М. Прохоров. Основная особенность оптического диапазона волн заключается в том, что длина волны электромагнитного излучения этого диапазона очень мала, так что практически всегда размеры резонаторов оказываются существенно больше длины волны. В сантиметровом диапазоне волн широко используются объемные резонаторы, размеры которых сравнимы с длиной волны. В таком резонаторе обычно возникает один, основной, тип колебаний, длина волны кр которого определяется размерами объемного резонатора и диэлектриком, заполняющим его. Колебания с большими длинами волн ( > кр ) не возникают вследствие того, что не выполняются условия резонанса для них. Колебания же с < кр в резонаторе возникают, но потери для них в генераторе существенно больше, чем для основного колебания, и они быстро затухают. Число собственных типов колебаний объемного резонатора с идеально проводящими стенками определяется выражением

,

где V —объем резонатора, а длина волны собственного типа колебаний резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда — из соотношения

= ,

 

где m, n и q – целые числа; L и D – длины сторон параллелепипеда.

В оптическом диапазоне волн интервалы между частотами соседних типов колебаний очень малы, так что спектр собственных колебаний объемного резонатора практически непрерывный. В результате этого возможно одновременное возбуждение большого числа собственных колебаний, что не позволяет получить высокую монохроматичность излучения. Существенное разрежение спектра собственных колебаний наблюдается в открытых резонаторах, так как в них отсутствуют боковые стенки и, следовательно, стоячие волны не могут устанавливаться перпендикулярно длине резонатора.

В открытом резонаторе потери малы только для тех волн, направление распространения которых перпендикулярно плоскостям зеркал или отклонено от него на небольшой угол. Все остальные типы колебаний имеют очень большие потери и быстро затухают. В лазерной технике часто типы колебаний обозначают ТЕМnmq и называют модами. Различают поперечные и продольные моды открытых резонаторов. Поперечные моды характеризуют распределение поля на зеркалах. Порядок поперечной моды определяется числами m= 0, 1, 2, 3... и п = 0, 1, 2, 3,..., которые показывают, сколько полуволн имеет распределение поля вдоль стороны зеркала (рис). Продольные моды характеризуют распределение поля по длине резонатора. Порядок продольной моды определяется числом q, которое практически равно числу полуволн лазерного излучения, укладывающихся на длине

резонатора. Так как в лазерной технике обычно длина резонатора существенно больше длины волны лазерного излучения, то числа qочень большие. Изменение числа qна единицу мало меняет частоту (по сравнению с самой частотой) излучения лазера, поэтому часто одной поперечной моде (заданным числам т и n) соответствует большое число продольных мод. Режим работы лазера, при котором излучается одна или несколько поперечных мод с m=0 или n=0 и несколько продольных мод, называется многомодовым. Если же лазер излучает волну ТЕМоо, т. е. поперечную моду, характеризующуюся числами m=0, n=0, и несколько продольных типов колебаний, то режим работы лазера называют одномодовым. Таким образом, и в одномодовом режиме лазер излучает на нескольких частотах. Режим же работы лазера, при котором излучается только один тип поперечных и только один тип продольных колебаний, называют одномодовым и одночастотным.

 

Рис.2 Распределение поля для линейно-поляризованных колебаний в резонаторах с квадратными зеркалами.

Рассмотрим кратко, каким образом формируется спектр излучения лазера. Спектр излучения лазера определяется в основном шириной линии люминесценции активного вещества и собственными частотами резонатора. Лазер излучает только на тех частотах, которые являются собственными частотами резонатора, совпадают с линией люминесценции и коэффициент усиления для которых достаточен для компенсации всех потерь в резонаторе.

Линией люминесценции называют распределение интенсивности излучения по частотам. Линия люминесценции характеризуется формой, а наиболее простой характеристикой формы линии является ее ширина 2 f, т. е. разность между частотами, интенсивность поглощения (излучения) на которых в заданное число раз меньше интенсивности, соответствующей максимуму поглощения (излучения). Ширина и форма линии зависят как от внешних условий, в которых находится данная атомная система, так и от внутренних, т. е. от природы атомной системы. Одной из причин, обусловливающих конечную ширину линии, является время жизни частиц в возбужденном состоянии. Значение ширины линии в этом случае определяется из соотношения неопределенностей Гейзенберга: . Ширина линии, обусловленная только этой причиной, является наименьшей для данной атомной системы и называется естественной шириной линии излучения (поглощения). Относительная интенсивность линии в этом случае описывается кривой Лоренца:

,

где f0 – частота, соответствующая максимуму линии излечения.

Внешние условия могут существенно изменить как ширину, так и форму линии. Так, в газах уширение линии происходит вследствие разброса скоростей частиц, соударений их друг с другом и со стенками сосуда; в твердых телах — вследствие действия электростатических полей кристаллической решетки, взаимодействия атомов с кристаллической решеткой и других причин.

2.4 Устройства  накачки

Инверсная заселенность в активном веществе создается с помощью устройства накачки. В твердотельных лазерах устройство накачки состоит обычно из источника питания, лампы накачки и осветителя. Лампа накачки преобразует электрическую энергию постоянного или переменного тока в некогерентное оптическое излучение. С этой целью используются газонаполненные или начальные лампы. В газонаполненных лампах интенсивность и форма спектра излучения зависят как от газонаполнителя, так и от подводимой энергии. Подводимая энергия определяет температуру газоразрядной плазмы и, следовательно, непрерывную составляющую спектра излучения лампы накачки. Эта составляющая по форме напоминает огибающую спектра излучения абсолютно черного тела. Максимум излучения непрерывной составляющей определяется температурой газоразрядной плазмы, т. е. подводимой энергией.

Газ-наполнитель определяет дискретные составляющие спектра излучения лампы накачки. Положение составляющих спектра зависит от типа газа-наполнителя. Интенсивность же спектральных линий зависит как от типа газа, так и от подводимой энергии Uc . Эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение обычно характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) лампы накачки. Он определяется как отношение энергии, излученной лампой накачки, к электрической энергии, подводимой к ней. Если питание к лампе накачки подводится от конденсатора емкостью С, то КПД лампы накачки определяется выражением

,

где - энергия оптического излучения лампы накачки; - начальное напряжение на конденсаторе. КПД лампы зависит от целого ряда факторов: состава и давления используемого газа, режима питания, диаметра разрядной трубки, расстояния между электродами и т.д. Наибольшим КПД обладают ксеноновые лампы. Осветитель предназначен для подвода с минимальными потерями энергии, излученной лампой накачки, к активному веществу. Высокая эффективность подвода энергии достигается с помощью различного типа отражающих и фокусирующих устройств. Форма отражателя осветителя зависит от формы активного элемента, его размеров и расположения относительно лампы накачки. В твердотельных лазерах широко применяются осветители, у которых лампа (лампы) расположена параллельно оси активного элемента, а отражатель имеет форму эллиптических цилиндров, в фокальных осях которого находятся активный элемент и лампа (лампы) накачки. Такие осветители имеют достаточно высокую эффективность. Так, осветители в виде эллиптического цилиндра с одной лампой накачки имеют эффективность около 75%. Потери в эллиптических осветителях обусловлены тем, что лампа и активный элемент имеют конечные размеры. Кроме того, значительная часть излучения лампы накачки проходит через активный элемент, не поглощаясь. Многократное отражение повышает эффективность цилиндрических осветителей и осветителей с плотным расположением активного элемента и лампы накачки. Размеры последних осветителей близки к размерам и лампы накачки, и активного элемента. Конфигурация осветителя в этом случае существенной роли не играет.

Твердотельные лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Различают два импульсных режима работы твердотельных лазеров: режим свободной генерации и режим с модулированной добротностью. В режиме свободной генерации длительность импульса излучения практически равна длительности импульса накачки. В режиме же с модулированной добротностью длительность импульса существенно меньше длительности импульса накачки.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Одновременно с созданием первых лазеров начали развиваться различные направления их применений. Создание лазеров ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Таким образом, все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. Лазеров большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия, провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах с временем релаксации ~ 10-13 сек. Возможность формировать сверхкороткие импульсы света 10-11 - 10-12 сек имеет также очень важное значение для скоростной фотографии и ряда др. методов исследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-неонового лазера, обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового лазера (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 1012 Гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,997924562 + 1,1 м/сек.