Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы

В 1970 в ФИАН СССР им. Лебедева Басов, Данилевич и Попов изобрели эксимерный лазер.  
Весной этого года Ж.Алферов продемонстрировал непрерывное излучение полупроводниковых лазеров при комнатной температуре, делая все для того, чтобы перевести связь на оптическое волокно с использованием полупроводниковых излучателей. В Corning Glass Works же показали передачу оптического сигнала по оптоволокну с затуханием менее 20 дБ/км. Артур Ашкин (Arthur Ashkin) из Bell Labs изобретает оптическую ловушку, когда атомы вещества оказываются в «подвешенном» состоянии в скрещенных лучах лазеров.

В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. Его работа была продемонстрирована в 1977 в университете штата Иллинойс (Illinois). Фактически массово он появился в начале 90-х. В 1972 впервые использовался лазер для создания рисунка на керамической подложке компьютерной микросхемы. 

В 1976 создали лазер на свободных электронах. Вместо активной среды такой лазер использует пучок электронов, разгоняемый до больших скоростей и пропускаемый через поперечное магнитное поле для получения когерентного излучения.

В 1978 появляются лазерные диски. Самые первые плееры для считывания информации использовали гелий-неоновый лазер, которые впоследствии заменили на ИК лазерные диоды. В этом же году Philips выпускает миниатюрные CD, какими мы привыкли их видеть сегодня.

В 1987 году Дэвид Пейн (David Payne) из Великобритании представил оптоволокно, легированное эрбием. Новые оптические усилители сразу же усиливали сигнал без его конвертации в электрическую форму, а затем снова в оптическую.

В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.

В июне 2009 NASA запустило лунный исследовательский комплекс LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), который будет использовать лазер для детального изучения поверхности Луны, что в будущем поможет нам производить безопасную лунную посадку космических кораблей, а также определить, где находится лед на поверхности нашей космической спутницы.

В январе 2010 года в США в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций получен рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентный 1МДж в течение одной наносекунды. В будущем планируется использование лазеров для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

 

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА

2.1 Получение лазерного излучения.

Согласно классическим представлениям, испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается с замедлением и ускорением электрических зарядов. Например, процесс спонтанного испускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора на излучение в течение некоторого промежутка времени, количественной характеристикой которого служит так называемое время жизни t . В результате излучаемая мощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве в форме сферических волн.

В квантовой теории имеют дело со стационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испускания предполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излучения или поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом, который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени с каждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являются эмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяет численно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика дает возможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным (происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным (происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегда является вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня (рис. 3.1), содержащих одинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.

                                                                                      (1),

Согласно постулатам Эйнштейна, число спонтанных переходов   в единицу времени в единице объема с верхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

                                                                                                (2),

Соотношение строго выполняется, если элементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.

                                                                                             (3),

 определяет число спонтанно испускаемых в единицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу с энергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанного испускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единице объема за единицу времени , также пропорционально населенности исходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения rна данной частоте (энергии фотонов в единице объема).

                                                                                            (4),

                                                                                           (5),

 - это Эйнштейновский коэффициент  поглощения. Вероятность поглощения  равна  .

Аналогично определяется число фотонов в случае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе с верхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.

                                                                                          (6),

                                                                                          (7),

Этот коэффициент носит название Эйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность перехода равна  .

Если нет вырождения энергетических уровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение кванта равны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцировать излучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокие энергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому акты поглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общий энергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испускание фотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание - в направлении распространения падающего на частицу излучения.

В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.

Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по эспоненциальному закону:

I = I0exp(z),                                                                                                (8),

где — коэффициент квантового усиления среды, z — пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere — сцепленный).

Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.

Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых — электрический ток или поток электронов.

Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи.

1. За счет отражения фотонов  в зеркалах он заставляет световую  волну многократно проходить  по активной среде, повышая эффективность  ее использования.

2. В момент начала генерации  лазера в нем одновременно  и независимо появляется множество  волн. После отражения от зеркал  резонатора усиливаются по преимуществу  те, для которых выполняется условие  образования стоячих волн: на  длине резонатора укладывается  целое число полуволн. Все остальные  частоты будут подавлены, излучение  станет когерентным.

2.2 Свойства лазерного излучения.

   В настоящее время лазеры перекрывают диапазон от ультрафиолета до субмиллиметровых волн, достигнуты первые успехи в создании рентгеновских лазеров, созданы перестраиваемые по частоте лазеры. 
Мощность лазерного излучения в непрерывном режиме может быть порядка 105-106 Вт, в импульсном - до 1012-1013 Вт, при этом удается достичь интенсивностей порядка 1012-1016 Вт/cм2. Существенно, что эти мощности могут быть сконцентрированы в чрезвычайно узких спектральных и временных интервалах. 
   Длительность импульса излучения в лазерах, работающих в режиме синхронизации мод, может составлять 10-12-10-13 с и специальными методами доводиться до 10-15 с (за это время свет проходит всего 3*10-5 см), то есть лазеры обладают удивительно высокой степенью концентрации энергии во времени. 
   Монохроматичность лазерного излучения, определяемая как ( - ширина линии генерации, - ее центральная частота), при работе лазера на одной частоте и в непрерывном режиме в принципе ограничена шумами [Советская энциклопедия, 1969, Тарасов Л.В., 1981]. Используя специальные методы стабилизации, удается получить относительную стабильность частоты [Брюннер В., Юнге К., 1991]. 
   В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса. 
   Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной. 
   Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной. 
   Напомним, что временная когерентность определяется временем tk, в течение которого излучение, испущенное из одной точки источника (или приходящие в данную точку пространства), остается когерентным (скажем, дает интерференционную картину в интерферометре Майкельсона). Пространственная когерентность определяется как когерентность излучения, испущенного из разных, находящихся на некотором расстоянии друг от друга точек источника, и может быть определена по контрасту интерференционных полос в известном опыте Юнга с двумя щелями. 
   При работе лазера в одномодовом режиме достигается полная пространственная когерентность, что определяет высокую направленность лазерного излучения и делает возможным его фокусировку в пятно чрезвычайно малых размеров (порядка длины волны). 
Временная когерентность, связанная с монохроматичностью (время когерентности ), оказывается тоже очень высокой. Так, для непрерывно работающего лазера на He-Ne в одночастотном режиме при и длина когерентности lk = tkc (с - скорость света) составляет 3*107 см (300 км), в то время как для нелазерных источников света (например, натриевая лампа) tk = 10 c (lk = 3 см). Таким образом, с использованием лазеров можно наблюдать интерференционную картину даже при разности хода лучей в несколько километров. 
   Направленность лазерного излучения во многом определяется тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. При высокой степени пространственной когерентности угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией. Типичные значения составляют: для газовых лазеров (0,5-5)*10-3 радиан, у твердотельных (2-20)*10-3 радиан, у полупроводниковых (5-50)*10-2 радиан [Брюннер В., Юнге К., 1991]. 
   Яркость. Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3*10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2 стерадиан)). (Отсюда выражение, что лазер ярче тысячи солнц.) 
   Перечисленные выше свойства делают лазеры уникальными источниками света и определяют возможность их многочисленных применений.

3. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

3.1. Твердотельный лазер

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла или диэлектрические кристаллы с собственными точечными дефектами. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают под воздействием ионизирующего излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмо-иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Генерация твердотельных лазеров осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Активный элемент этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоугольного сечения. Иногда применяют и активный элемент более сложных конфигураций. Наибольшее распространение получила конструкция твердотельных лазеров, в которой цилиндрический активный элемент вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в активный элемент. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутренней поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в активный элемент. Применяют осветители, в которых одна лампа накачки работает на нескольких активных элементах или, напротив, один активный элемент накачивается несколькими или большим числом ламп.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах. У существующих твердотельных лазеров мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при удельном энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см3 активной среды при КПД ~3%. Средняя мощность 103 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в твердотельных лазерах импульсно-периодического действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10-3 10-4с.

Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров.  Это простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности.