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.