Лазеры и их применение

               

 

                              

              а                                                б                           

рис 2.

                                            

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е₁ - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е₂ - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда, согласно принципу суперпозиции, напряженность поля в точке А равна:

Е = Е₁ + Е₂                                          (3)

Так как в явлениях интерференции  и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E²                                                     (4)

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I₁ + I₂ + I₁₂,                (5)

где I₁ - интенсивность света первого пучка, I₂ - интенсивность света второго пучка. Последнее слагаемое I₁₂ учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно:

I₁₂ = 2 (E₁ * E₂)              (6)

Если взять независимые  источники света, например, две электрические  лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I₁ + I₂, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно, некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I <> I₁ + I₂. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других – меньше интенсивностей I₁ и I₂. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10^-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации  энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Для некоторых квантовых  генераторов характерна чрезвычайно  высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

     Лазеры являются  самыми мощными источниками светового  излучения. В узком интервале  спектра (в течение промежутка  времени, продолжительностью порядка  10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*10³ Вт/см², причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10^-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца  всего лишь 0,2 Вт/см². Если задача заключается в преодолении порога в 10¹⁷ Вт/см², то прибегают к различным методам повышения мощности.

     Для повышения  мощности излучения необходимо  увеличить число атомов, участвующих  в усилении светового потока  за счет индуцированного излучения,  и уменьшить длительность импульса.

 

 

 

 

 

 

 

\

1.4 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Выбор рабочего вещества для оптических квантовых генераторов определяется, главным образом, возможностью достижения инверсной населенности для некоторой пары уровней энергии. Режим генерации наступает в том случае, когда эффект усиления света компенсирует потери энергии за счет процессов рассеяния, перепоглощения и т.п. для генерации света используются как кристаллы, так и жидкости и газы. Несмотря на существенные различия в системах энергетических уровней, во временах жизни возбужденных состояний различных соединений, используемых в различных лазерах, основные принципы действия квантовых генераторов света одинаковы.

Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляют собой диэлектрический кристалл или стекло, в которые введены  в виде примеси специальные ионы, играющие роль активных центров. В твердотельных лазерах используется только оптическая накачка.

В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу в  виде смеси активатор (активные центры). Используются как кристаллические, так и аморфные матрицы. В настоящее  время эффект вынужденного испускания обнаружен примерно у 300 диэлектрических  кристаллов, активированных примесями  ионов переходных групп. Наиболее широко используются так называемые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой. К ним относятся, в частности, кристалл окиси алюминия (Al₂O₃), активированный ионами хрома (Cr³⁺), а также кристалл иитрий-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂), активированный ионами неодима (Nd³⁺). Первый кристалл есть активный элемент лазера на рубине, а второй – лазера на гранате с неодимом. Указанные лазеры являются, пожалуй, наиболее широко применяемыми твердотельными лазерами.

 

1.4.1 ЛАЗЕР НА РУБИНЕ

Первый квантовый генератор  света был создан в 1961 г. Мейманом на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 (корунд), в который при его выращивании введена окись хрома Cr2O3 обычно в количестве нескольких сотых долей процента. Окись хрома изоморфно входит в кристаллическую решетку корунда. В результате введения примеси ионов хрома прозрачный кристалл корунда приобретает розовую окраску.

Рубину придают форму  цилиндрического стержня с диаметром 0,1-2 см и длиной от 2 до 20 см и больше. Концы стержня тщательно отполированы. Они могут служить зеркалами и тогда их серебрят. В результате стержень и два параллельных друг другу зеркала на его торцах образуют оптических резонатор. Зеркала могут быть и внешними, тогда серебрение не нужно. Для освещения рубинового стержня применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов (напряжение 2-3кВ). Длительность вспышки порядка одной миллисекунды. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня (рисунок 3).

Рисунок 3 – Лазерная установка.

 

 Рубиновый лазер получает энергию от импульсной лампы, которая является источником энергии накачки. Испускаемый луч выходит через частично посеребренный торец рубинового кристалла. Другой торец кристалла полностью покрыт серебром. Луч создается при многократном отражении от торцов кристалла. Для охлаждения рубина используется жидкий азот, хотя рубин может работать и при комнатной температуре. Показана только передняя сторона кожуха лазерной установки (справа).

Она может быть и прямолинейной. Тогда применяют зеркальные осветители, имеющие форму эллиптических  цилиндров с внутренними отражающими  поверхностями. Лампа-вспышка располагается  вдоль одной из фокальных линий цилиндра; отраженный свет концентрируется на рубиновом стержне, помещаемом вдоль другой фокальной линии. На рис.4 показано как реализуется оптическая накачка твердотельного лазера. Источник накачки (например, газоразрядная лампа-вспышка) имеет форму прямого цилиндра и помещается параллельно активному элементу. И лампа накачки, и активный элемент находятся внутри отражателя, отражающая поверхность которого представляет собой боковую поверхность цилиндра с основанием в форме эллипса. Сделаем мысленно сечение плоскостью, перпендикулярной к оси активного элемента. В этом сечении поверхность отражателя есть эллипс; активный элемент и лампа-вспышка находятся в фокусах эллипса. Известно, что световые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллиптической поверхности приходят в другой фокус. В результате накачивающее излучение оказывается максимально сфокусированным на активном элементе.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Практическая реализация оптической накачки в твердотельном лазере

 

На практике применяют  отражатели разных конструкций. Используется, например, двухламповый отражатель; по сравнению с одноламповым такой отражатель позволяет повысить мощность выходного излучения. В конструкциях твердотельного лазера роль зеркал оптического резонатора выполняют специально обработанные торцы активного элемента; в этом случае длина резонатора совпадает с длиной активного элемента.

 

1.4.2 ЛАЗЕР НА ГРАНАТЕ С НЕОДИМОМ

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, активированном ионами неодима, является в настоящее время наиболее широко применяемым твердотельным лазером. Он имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования световых импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме. КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов.

Для накачки рассматриваемого лазера применяют криптоновые лампы. Иногда в кристаллическую решетку  граната дополнительно вводят еще  одну примесь – ионы хрома, что  позволяет применять для накачки  ксеноновые лампы. Возбужденные ионы хрома  передают энергию возбуждения активным центрам – ионам неодима.

 

1.4.3 ЛАЗЕРЫ НА СТЕКЛАХ

Достаточно широко применяются  лазеры на стеклах, активированных редкоземельными  элементами, в частности неодимом. Используются различные стекла: боратные (на основе оксида бора), свинцовые (на основе окислов свинца), фосфатные (на основе окислов фосфора), фтористые (на основе фторида бериллия), кварцевые  и др. стеклянные активные элементы относительно дешевы, легко изготавливаются  в виде длинных стержней, оптически  однородны; они допускают введение активатора в больших концентрациях. Главный недостаток стекол – их низкая теплопроводность, вследствие чего они используются лишь в импульсных режимах с относительно низкой частотой следования импульсов.

 

1.5 ЛАЗЕРЫ НА РАСТВОРАХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ

В жидкостных лазерах в  качестве активной среды используются жидкости: либо растворы органических красителей, либо специальные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Различают два типа таких специальных жидкостей – металлоорганические (хелатные) и неорганические (апротонные). В жидкостных лазерах применяют оптическую накачку.

Среди жидкостных лазеров  наиболее широко применяются лазеры на растворах органических красителей. Активная среда таких лазеров представляет собой жидкий растворитель (вода, метанол, этанол, толуол, бензол, ацетон и др.), в котором находятся молекулы органического красителя, играющие роль активных центров.

Красители – сложные органические соединения, характеризующиеся широкими полосами поглощения в видимой и  ближней ультрафиолетовых областях спектра. В настоящее время лазерная генерация получена более чем на 200 различных красителях. Общий диапазон длин волн, генерируемых различными красителями, составляет 0,3 … 1,3 мкм. Подбирая соответствующие красители, можно получить когерентное излучение любой длины волны из указанного диапазона.

Для возбуждения красителей применяют как лазерную, так и  нелазерную (ламповую) накачку. В первом случае в качестве источника накачивающего излучения используется вспомогательный лазер; во втором – газоразрядная лампа. При лазерной накачке накачивающее излучение имеет либо частоту рабочего перехода вспомогательного лазера, либо вдвое (втрое) высокую частоту. В последнем случае говорят, что используется вторая (третья) гармоника излучения вспомогательного лазера.

В качестве вспомогательного лазера часто применяют лазер  на стекле с неодимом, а также  на гранате с неодимом. При этом реализуется импульсная лазерная накачка. Она может осуществляться либо по поперечной, либо по продольной схеме. При поперечной импульсной накачке накачивающее лазерное излучение распространяется перпендикулярно к направлению, в котором происходит генерация излучения красителя, а при продольной – параллельно. В качестве примера на рисунке 5 показан один из вариантов продольной схемы накачки.

 

Рисунок 5 - Схема продольной накачки лазера на красителе.

 

Кювета с красителем находится  внутри резонатора, у которого одно из зеркал заменено призмой полного  внутреннего отражения. Выходное зеркало  резонатора полностью непрозрачно  для накачивающего излучения. Накачивающее излучение, распространяясь вдоль  оси резонатора 00, попадает через призму в кювету с красителем и возбуждает молекулы красителя. Генерируемое в красителе излучение выходит через выходное зеркало резонатора.

Наряду с импульсной применяют также непрерывную лазерную накачку. Для этого часто используют аргоновый ионный лазер. Накачивающее излучение фокусируют в растворе красителя в пределах области 10 мкм. Чтобы краситель не перегревался, его быстро прокачивают через зону генерации. Прокачка красителя важна и в других отношениях, например, с точки зрения удаления из зоны генерации продуктов фотораспада.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное  достоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10—50 кГц.