Устройство и принцип работы лазерного генератора

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения») – уст-ройство, использующее квантово-механический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного, т. е. согласо-ванного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пико-вых мощностей. Вне зависимости от сфер применения, конструктивных особенностей все лазеры имеют три основные части: активную (рабочую) среду, систему накачки и резонатор.


Активная среда – вещество, в котором создается инверсная заселен-ность, – может быть твердой (кристаллы рубина или алюмоиттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах) и газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках). Полупро-водниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, углекислотными, гелий-неоновыми, на кра-сителях и т. п.

Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало («глухое») отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излуче-ния возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве «глухого» зеркала нередко используют призму полного внутреннего отражения, в каче-стве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду).

Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током [1–3].

Принципиальная схема лазера представлена на рис. 1.


Рис. 1. Принципиальная схема лазера: 1 – рабочая среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч

Что же такое инверсная заселенность?

Из законов квантовой механики следует, что энергия атома вещества (в нашем случае вещества активной части) может принимать только вполне определенные значения E0, E1, E2...En, которые называются энергетически-ми уровнями. Самый низкий уровень E0, при котором энергия атома минимальна, называется основным. Остальные уровни, начиная с E1, называются возбужденными и соответствуют более высокой энергии атома. Атом переходит с одного из низких уровней на более высокий поглощая энергию, например, при взаимодействии с фотоном – квантом электромагнитного излучения, а при переходе с высокого уровня на низкий, атом отдает (излучает) энергию в виде фотона.

Атом в возбужденном состоянии неустойчив. Рано или поздно (в сред-нем за 10–8 секунды), в случайный момент времени он самостоятельно (спонтанно) вернется в основное состояние, излучив электромагнитную волну – фотон. Случайный характер переходов приводит к тому, что все атомы вещества излучают неодновременно и независимо, фазы и направление движения излученных ими электромагнитных волн не согласованы. Именно так работают обычные источники света – лампы накаливания, газоразрядные трубки, таким же источником света является и Солнце и пр. Их спонтанное излучение некогерентно.

Но атом может также излучить фотон не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, частота которой близка к частоте перехода атома. Такая резонансная волна как бы «раскачивает» атом и «стряхивает» его с верхнего энергетического уровня на нижний. Происходит вынужденный переход, при котором излученная атомом волна имеет ту же частоту, фазу и направление распространения, что и волна первичная. Эти волны когерентны, при их сложении происходит увеличение интенсивности суммарного излучения, или числа фотонов (рис. 2).


Рис. 2. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Число атомов на определенном уровне En называется заселенностью этого уровня, а ситуация, когда E2 > E1 – инверсной заселенностью. Вещество, в котором возбужденных атомов гораздо больше, чем атомов в основном состоянии, называется активным. Пусть по активному веществу проходит электромагнитная волна с некоторой заданной частотой. Тогда за счет излучения при вынужденных переходах Е2 > Е1(которых значительно больше, чем актов поглощения E1 < E2) будет происходить ее усиление. Проще говоря, это означает, что каждый пролетевший сквозь вещество фотон вызывает появление точно такого же фотона. Вместе они порожда-ют еще два фотона, эти четыре – восемь и так далее – в активном веществе возникает фотонная лавина (рис. 3).


Рис. 3. Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Переход между уровнями E3 и E2 без излучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1

На практике, однако, столь стремительного роста числа фотонов не происходит. В реальных веществах всегда есть множество факторов, вызывающих потерю энергии электромагнитной волны (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями и пр. 

В качестве активной среды используют достаточно химически чистые вещества.). В итоге, можно добиться усиления волны хотя бы в десятки раз, только увеличив длину ее пробега в активной среде до нескольких метров, что осуществить нелегко. Но есть и другой путь: поместить активное вещество между двумя параллельными зеркалами (в резонатор). Волна, многократно отражаясь в них, пройдет достаточное для большого усиления расстояние, если, конечно, число возбужденных атомов будет оставаться большим, т. е. сохранится инверсная заселенность.

Инверсную заселенность можно осуществлять и поддерживать при помощи отдельного источника энергии, который как бы «накачивает» ею активное вещество. Таким источником может быть мощная лампа, электри-ческий разряд, химическая реакция и т. п. Кроме того, нужно, чтобы атомы на одном из верхних энергетических уровней оставались достаточно долго (в масштабах квантовых процессов, разумеется) чтобы их там накопилось порядка 50% от общего количества атомов вещества. При этом энергия на-качки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.

После того, как в активном элементе, помещенном внутрь резонатора, за счет накачки достигнуто состояние инверсии, его атомы время от времени начинают спонтанно опускаться на основной уровень, излучая фотоны. Испущенные под углом к оси резонатора фотоны вызывают короткую цепочку вынужденных излучений в этих направлениях и быстро покидают активную среду. И только фотоны, идущие вдоль оси резонатора, много-кратно отражаясь в зеркалах, порождают лавину когерентного излучения. При этом в преимущественном положении оказываются частоты (моды из-лучения), целое число полуволн которых укладывается на длине резонатора целое число раз (рис. 4).

Рис. 4. Развитие лавинообразно-о процесса генерации в лазере

Существуют два типа лазеров: усилители и генераторы.

На вы-ходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сиг-нал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотель-ными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (на-пример, гелий-неоновый, аргоновый и т. п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым. 

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излу-чаемой энергии и её спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном      лазере. 

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10–3 Вт, то говорят о маломощных лазерах. 
Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеноского участка до дальнего инфракрасного, т. е. от 10–3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается толь-ко до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот не-освоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов. 

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса,

в другой – около 10…15 угловых градусов. 
Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т. е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10–10

т. е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью. 

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются меры для повышения КПД лазеров, ибо низкий КПД приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77  К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.