Принцип работы лазера и основные виды лазеров

По принципу своей работы лазер достаточно схож с ранее созданным мазером*, отсюда и его альтернативное название – оптический мазер. Для обоих устройств характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.

Что есть свет? Это особая форма материи. Он состоит из своего рода сгустков, которые называются квантами. Любое вещество состоит из атомов; атомы вещества, излучая или поглощая свет, испускают или, соответственно, поглощают цельные кванты. Длина волны (следовательно – цвет) излучения определяется энергией его кванта. При отсутствии каких-либо дополнительных условий атомы вещества с долями квантов не взаимодействуют. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Наглядным примером может служить газоразрядная лампа, например, однородно заполненная неоном. Излучающий квант света атом расходует энергию; напротив, поглощая квант, он приобретает излишнюю энергию. Поскольку энергия переносится порциями и от атома, и к нему, то он способен пребывать только в одном состоянии: в основном, для которого свойственна минимальная энергия, или в одном из возбужденных. Если атом пребывает в основном состоянии, то после поглощения кванта света он переходит в состояние возбуждения. А, соответственно, при излучении кванта – все наоборот. Таким образом, чем большее количество квантов вблизи атомов, тем больше число атомов, совершающих переходы с повышением или же с понижением энергии. Само присутствие света вынуждает атомы принимать участие в энергетических переходах. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного поглощения количество квантов снижается и, как следствие, интенсивность света тоже снижается. Некоторое количество атомов, попав в освещение, начинает вынужденно излучать суммарно большее количество энергии, чем вынужденно поглощает. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов.

Лазерная генерация способна возникнуть лишь в том множестве микрочастиц, где число возбужденных атомов выше, чем находящихся в основном состоянии. Отсюда следует сделать вывод, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит именно это название – накачка.

Главное различие всех типов лазера именно в способе накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

* Мазер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны длиной около сантиметра. Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification stimulated by emission of radiation) - было дано в 1954году его создателями: советскими учёными А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым, а также американцами Ч. Таунсом, Д. Гордоном и Х. Цейгером. Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (вчастности, в космической связи), в физических исследованиях, а такжекак квантовые стандарты частоты.

Газовые лазеры (лазер СО2)

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В них использовались квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в широком диапазоне: от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелио-неоновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne.

В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Полупроводниковые лазеры

Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме. Другими особенностями полупроводниковых лазеров, имеющими практическую значимость, являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30—50%); малая степень инерционности, которая обусловливает широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 ГГц); простая конструкция; также – возможность перестройки длины волны излучения и наличие значительного количества полупроводников, которые непрерывно перекрывают интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности, что связано со значительной шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры наиболее эффективны в том случае, когда требования к когерентности и направленности не велики, однако необходимы малые габариты и высокий КПД.
Полупроводниковые лазеры превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД. Важное качество полупроводниковых лазеров заключается в возможности перестройки частоты излучения и управления световым пучком.

Жидкостный лазер

Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.

В первых жидкостных лазерах использовались растворы редкоземельных хелатов. Они пока не нашли применения малого количества достижимой энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы (менее 50 мксек).

Твердотельные лазеры

Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле. Неодимовый лазер работает на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Изготовляют также сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4 - 5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж за время ~ 10-3 сек.

Лазеры на рубине, наряду с лазерами на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазерами. Полная энергия импульса генерации достигает сотен Дж при длительности импульса 10-3 сек. Также возможно реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких КГц).

Примером твердотельных лазеров непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и лазера на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн ℓ от 1 до 3 мкм. Типичное значение мощности генерации твердотельного лазера в непрерывном режиме ~ 1 Вт или долей Вт, для лазера на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков Вт. Если не создать специальных условий, то спектр генерации твердотельных лазеров сравнительно широк, так как обычно реализуется многомодовый режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию, что обычно связано со значительным уменьшением генерируемой мощности. Существуют определенные трудности в процессе выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла.