Как и в классическом генераторе радиоволн, состоящем из резо­нансного колебательного контура, электронной лампы и источника питания, в лазерах можно выделить три основные элемента: резо­натор, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, активная среда, обеспечивающая усиление излучения, и источник энергии, создающий инверсную заселенность в активной среде.

Это краткое описание показывает, что схема оптического кван­тового генератора очень проста: активная среда, помещенная между двумя зеркалами, образующими оптический резонатор, — вот, в основном, и весь лазер. В качестве активной среды может исполь­зоваться твердое тело, жидкость или газ. Рассмотрим теперь под­робнее, как работают лазеры разных типов.

Лазеры на твердом теле (рис. 6.4). Активным элементом первого лазера служил кристалл синтетического рубина. Роль резонатора выполняли тщательно отполированные и посеребренные торцы самого рубинового стержня, один из которых оставался по­лупрозрачным. Инверсная за­селенность в рубине достигалась с помощью вспомогательного излучения, которое давала им­пульсная газоразрядная лампа- вспышка. Рассмотрим теперь несколько подробнее, как рабо­тает лазер на рубине.

Лазерный процесс в этом квантовом генераторе осуществ­ляется на энергетических уров­нях ионов хрома, которые вхо­дят в состав кристаллической решетки рубина. Поглощая энергию от лампы-вспышки в синей и зеленой областях видимого света, ионы хрома переходят из основного состояния в возбуж­денные, которые представляют собой две группы тесно располо­женных энергетических уровней. В этих состояниях, однако, ионы находятся очень короткое время (меньше 10-7 сек) и переходят за­тем в более низкое возбужденное состояние, отдавая избыток энер­гии в виде тепла, которое нагревает кристалл рубина.

 

Рис.6.4. Схема твердотельного лазера с оптической накачкой: в центре-^ активная среда, 3 и ПЗ — зерка¬ла, ЛВ — лампа-вспышка, Э — электроды.

 

Это промежуточное возбужденное состояние называется мета- стабильным, потому что ион хрома может находиться в нем сравни­тельно долго (примерно 10-3 сек).В течение всего этого времени ионы накапливаются на метастабильном уровне, и в итоге число таких ионов становится больше числа ионов в основном состоянии, т. е. между этими состояниями возникает инверсная заселенность. При достаточно большой инверсной заселенности усиление излучения в рубине превышает потери на поглощение в зеркалах и на других частицах в самом кристалле, после чего в резонаторе возникают не­затухающие оптические колебания — красный лазерный луч вы­рывается через полупрозрачный торец рубинового стержня.

Основные режимы работы лазеров: свободная генерация, непре­рывный режим, гигантский импульс. В режиме так называемой свободной генерации лазерное излучение возникает примерно через 10-4 сек после начала вспышки импульсной лампы и продолжается в течение всего времени облучения, которое составляет приблизитель­но 10-3шс.

Для мощных твердотельных лазеров увеличение длительности импульса, т. е. переход к непрерывному режиму, сталкивается с определенными трудностями. При интенсивном облучении кри­сталл сильно нагревается, и его оптические качества вследствие неравномерного теплового расширения значительно ухудшаются. Чем больше кристалл, тем сложнее его охлаждать. Кроме того, изготовление ламп-вспышек, дающих вспомогательное излучение (накачку), — дело сложное.

 

В качестве таких ламп используются мощные газоразрядные лампы, которые питаются от батареи конденсаторов, заряженной до напряжения в несколько тысяч вольт. Мощность излучения на­качки от подобных ламп при длительности облучения 10-3 сек может превышать десятки миллионов ватт, что соответствует полной энергии вспышки в десятки тысяч джоулей. Мощность лазерного излучения при этом значительно (в десятки раз) меньше, т. е. энер­гетический к. п. д. такого лазера невелик. Однако следует помнить, что лазерное излучение качественно отличается по своим свойствам от излучения накачки: оно монохроматично, когерентно и обладает малой расходимостью.

Иначе развивается генерация в режиме так называемой модулированной добротности или гигантского импульса. В этом случае на первоначальном этапе накачки оптические свойства резонатора сильно ухудшены. Достигается это, например, путем введения в ре­зонатор специального поглощающего вещества, величина поглощения в котором может изменяться. Число возбужденных ионов,  находящихся на метастабильном уровне, при этом достигает значительно большей величины, чем при свободной генерации. Однако генерации не возникает, поскольку потери энергии в резонаторе превышают излучаемую ионами энергию даже при такой большой величине инверсной заселенности. Если теперь резко уменьшить потери в поглощающем веществе, т. е. увеличить добротность ре­зонатора, то активная среда (при новом уровне потерь) окажется сильно перевозбужденной. Это приводит к быстрому нарастанию электромагнитного поля в резонаторе, в результате чего возникает импульс лазерного излучения гигантской мощности (десятки мил­лионов ватт) и очень малой длительности, в несколько миллиард­ных долей секунды (10-9 сек).

Лазер па рубине положил начало целой серии лазеров на твер­дых телах — кристаллах и стеклах, содержащих различные примеси. Эти лазеры могут работать как в импульсных, так и в непрерывном режимах. Например, лазер на кристалле флюорита с примесью дис­прозия работает в инфракрасном диапазоне (λ= 2,4 • 10-4 см) и развивает в непрерывном режиме мощность в сотни ватт. Совре­менная технология позволяет изготовлять стеклянные лазерные стержни значительных размеров — метровой длины, и поэтому осо­бенно большие энергии дают лазеры на стекле (с примесью неодима): тысячи джоулей в режиме свободной генерации и сотни джоулей в гигантском импульсе. При этом мощность в гигантском импульсе составляет десятки и более миллиардов ватт.

Лазеры на жидкостях. Получение больших объемов активной среды с высокой степенью оптической однородности значительно облегчается в случае жидкостей, которые также можно использовать для усиления и генерации электромагнитного излучения. Проблема охлаждения жидкой активной среды решается проще, чем в случае твердого тела, поскольку жидкость можно заставить циркулиро­вать между резонатором и теплообменником, где она будет отдавать избыточное тепло. Среди действу­ющих жидкостных лазеров особы­ми преимуществами обладают лазеры на растворах органичес­ких красителей, которые обес­печивают широкий выбор гене­рируемых частот и их плавную перестройку.

 

Цветная фотография воспроизводит силовые линии мощного электрического поля около металлического шарика. Снизу стоит ионизатор; в пространство между иони- 1атором и шариком введено специальное красящее вещество.

Лазерный луч, идущий сверху, дает «вид сверху», луч, идущий снизу, дает «вид снизу». Десять лазерных лучей дают изображение с десяти точек зрения.

Лазерный луч, обладающий колоссальной энергией, оказывает огромное давление на частицы, которое можно легко обнаружить. На рисунке видна частица, облуча­емая лазерным лучом в опытах по определению давления света.

Газовые лазеры (рис. 6.5).

Почти одновременно с лазером на рубине был создан первый га­зоразрядный лазер, в котором активной средой служила смесь газов гелия и неона при давле­нии в несколько сотен раз мень­ше атмосферного. Газовая смесь помещалась в стеклянную или кварцевую трубку, в которой с помощью внешнего напря­жения, приложенного к впаянным электродам, поддерживал­ся электрический разряд, т. е. электрический ток в газе. В этом отношении трубка газового лазера мало отличается от обычных тру­бок неоновой рекламы. На концах газоразрядной трубки длиной в несколько десятков сантиметров помещены зеркала, образующие такой же оптический резонатор, как и у рубинового лазера. Однако инверсная заселенность в этом лазере достигается иным путем, чем в твердотельных лазерах с оптической накачкой от лампы-вспышки.

Рис. 6.5. Схема газового лазера с электрической накачкой: Т — газоразрядная трубка, Э — электроды, 3 и /73 — зеркала.

 

Свободные электроны, образующие ток электрического разря­да в газе, сталкиваются с атомами вспомогательного газа, в данном случае гелия, и переводят атомы гелия в возбужденное состояние, отдавая им при ударе свою кинетическую энергию. Это возбужден­ное состояние метастабильно, т. е. атом гелия может находиться в нем сравнительно долго прежде чем перейдет в основное состояние за счет спонтанного излучения. Фактически такой излучательный переход вообще не успевает произойти, поскольку атом гелия отда­ет свою энергию столкнувшемуся с ним атому неона. В итоге атом гелия возвращается в исходное состояние, а на энергетических уров­нях неона возникает инверсная заселенность, которая обеспечивает усиление и генерацию излучения с длиной волны λ = 6,3 • 10-б см, соответствующей красному свету.

Мощность излучения неон-гелиевого лазера, работающего в не­прерывном режиме, невелика, она составляет несколько тысячных долей ватта. Однако вследствие высокой оптической однородности газовой среды это излучение обладает очень высокой направлен­ностью и монохроматичностью.

Создание инверсной заселенности с помощью электрического разряда в газе используется во многих газовых лазерах, перекры­вающих очень широкий диапазон длин волн от далекого ультрафио­летового (лазер на молекулах водорода с длиной волны λ = 1,6 х х 10-б см) до субмиллиметрового диапазона (лазер на парах воды, X = 3,3 • 10-2 см). Некоторые из этих лазеров дают значительные мощности—например аргоновый лазер, работающий в сине- зеленой области видимого спектра, имеет мощность в сотни ватт. Наибольшую мощность (десятки киловатт) дает лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия. Этот лазер работает в далекой инфракрасной области спектра (X = 10~3 см) и имеет значительный к. п. д.— почти треть затраченной электрической энергии переходит в энергию излучения.

 

 

Газодинамические лазеры. Большие мощности в непрерывном режиме дают также газодинамические лазеры, в которых инверсная заселенность между молекулярными энергетическими уровнями достигается в процессе расширения нагретого газа. Происходит это следующим образом. В условиях теплового равновесия число молекул в различных возбужденных состояниях зависит от темпе­ратуры газа и от энергии соответствующих квантовых состояний. Чем выше энергетическое состояние, тем меньшее число молекул находится в нем. В газе, нагретом до нескольких тысяч градусов, общее число возбужденных молекул может быть значительным. Однако при сохранении теплового равновесия число поглощающих молекул всегда превышает число молекул, усиливающих внешнее излучение, и получение генерации невозможно.

Если позволить нагретому газу расширяться, то его температу­ра будет падать. При расширении газ совершает работу и энергия теплового движения молекул уменьшается, переходя в кинетическую энергию движущегося газа. На внутренние состояния молекул рас­ширение газа непосредственно не влияет. Если бы не было столкно­вений между молекулами, то числа молекул на разных энергетиче­ских уровнях оставались бы неизменными. При столкновениях в расширяющемся газе энергия возбужденных молекул переходит в энергию поступательного движения, т. е. число возбужденных мо­лекул уменьшается, как это и должно быть при уменьшении тем­пературы.

Этот процесс не успевает, однако, изменить числа молекул на всех возбужденных уровнях, если расширение газа происходит достаточно быстро. В то время как молекулы с низких возбужденных уровней быстро отдают свою энергию остывающему газу, число мо­лекул с большой энергией изменяется слабо: при быстром расшире­нии газа происходит, как говорят, «замораживание» молекул на высоких возбужденных уровнях. В результате этого равновесное распределение молекул по состояниям с разной энергией искажается и число молекул на высоковозбужденных уровнях становится боль­ше числа молекул с меньшей энергией, т. е. возникает инверсная заселенность. Такой способ получения активной среды был разра­ботан под руководством академика А. М. Прохорова.

Быстрое расширение и охлаждение газа происходит при истече­нии его через сопло, когда тепловая энергия газа переходит в кине­тическую энергию направленной газовой струи. Подобный процесс осуществляется во всех реактивных двигателях. Использование

реактивного двигателя для усиления и генерации электромагнитного излучения кажется совершенно неожиданным, и тем не менее такие газодинамические лазеры уже дают десятки киловатт мощности в непрерывном режиме на длине волны X = 10-3 см.

К настоящему времени создано и работает очень большое число различных типов лазеров, которые преобразуют разные виды энер­гии (световую, тепловую, электрическую, энергию химических реак­ций и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения.

Рассмотрим теперь подробнее, какое применение уже сейчас находит лазерное излучение и каковы дальнейшие перспективы раз­вития лазеров.

 

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top