Создание инверсной населенности. Природа света
На первый взгляд инверсию населенности можно создать в среде с двумя энергетическими уровнями Е 1 и Е 2 >Е 1. Например, это можно попытаться сделать путём облучения среды фотонами с частотой . Т.к. в нормальных условиях N 2
Однако, когда населенности окажутся равными N 2 =N 1, процессы вынужденного излучения и поглощения будут компенсировать друг друга и инверсию создать будет невозможно.
Поэтому для лазеров применяют среды, в которых частицы могут занимать не два, а три или четыре уровня
С случае трехуровневой системы (рис.) уровень Е 2 должен быть метастабильными, т.е. время жизни частицы на этом уровне намного превышает время жизни на других уровнях возбуждённого состояния. Это означает, что W 21 <
В случае четырехуровневой системы метастабильным является уровень Е 2 , при этом W 21 <
Принцип минимума потенциальной энергии:
Любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна. Такое состояние является энергетически выгодным и наиболее устойчивым.
В соответствии с этим принципом, количество атомов активного вещества лазера, находящихся на нижнем энергетическом уровне, всегда больше, чем количество возбужденных атомов. При отключенной системе накачки населенность нижнего энергетического уровня максимальна, а наверху, на возбужденном уровне, атомов вообще нет или их крайне мало.
При включении накачки положение начинает меняться: часть атомов переходит в категорию «возбужденные». Чем больше мощность накачки, тем больше становится населенность верхнего уровня и меньше – нижнего.
Чем больше становится возбужденных атомов, тем больше вероятность переходов обратного направления, за счет спонтанного и индуцированного излучения. Но фотонные лавины возникать еще не могут.
Мы обсуждаем двухуровневую систему накачки: система накачивает атомы энергией, переводя их в возбужденное состояние, а они, спонтанно или через индуцированное излучение, соскакивают обратно, вниз.
Теория и практика показали, что максимум достижимого при работе двухуровневой системы накачки – динамическое равновесие при достижении численного равенства населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней.
Но для работы лазера этого мало! «Наверху» атомов должно быть больше, чем «внизу».
Инверсная населенность - состояние активного вещества, при котором атомов, находящихся на возбужденном энергетическом уровне, больше , чем на нижнем, основном уровне .
Преодолеть ограниченные возможности двухуровневой системы накачки удалось с помощью системы трехуровневой. Появились и системы, имеющие большее число уровней.
Естественной для атомов является длительность их пребывания в возбужденном состоянии порядка τ 1 = 10 -8 с. Преодолеть такую быстроту возврата возбужденных атомов в устойчивое основное состояние удалось благодаря тому, что в квантовых системах могут существовать метастабильные состояния, с временем жизни τ , много большим, чем τ 1 = 10 -8 с. Метастабильное состояние (от греч. μετα «через» и лат. stabilis «устойчивый») – состояние квазиустойчивого равновесия, в котором система может находиться длительное время.
Длительность метастабильного состояния возбужденных атомов может достигать 2 = 10 -3 с. Обратите внимание: τ 2 > τ 1 в 100000 раз; и за такое время вполне удается создавать инверсную населенность, «перехитрив» принцип минимума потенциальной энергии. На рис. 3 представлена схема энергетических уровней трехуровневой системы накачки.
Рис. 3 Схема трехуровневой системы накачки.
Трехуровневая система накачки переводит атомы активного вещества на уровни Е 2 и Е 3 . При этом активное вещество имеет в окрестностях уровня Е 3 множество близко расположенных энергетических уровней с коротким временем жизни возбужденного состояния τ 3 . На схеме они не показаны; Е 3 – среднее значение их энергии.
Кванты, близкие к Е 3 , имеют повышенную вероятность быть поглощенными: любой квант энергии системы накачки на каком-нибудь из этих многих уровней пригодится, будет поглощен. Суммарный эффект: система накачки эффективно работает на повышение населенности энергетического уровня Е 3 благодаря тому, что он «широк по вертикали» за счет семейства близких уровней.
На схеме рис. 3 наклонной стрелкой показан переход с уровня Е 3 на уровень Е 2 , что символизирует безизлучательный переход возбужденных атомов на уровень Е 2 , благо обстановка позволяет: вместо большого перепада Е 3 – Е 2 имеется нечто в роде лесенки близких уровней.
Вклад «узкого» уровня Е 2 в создание своей же инверсной населенности есть, но он – гораздо скромнее.
Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровни энергии иона Cr3+ в рубине. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10-8 сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+ на уровнях E 2 и составляет 10-3 сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E1. Переходам E2® E1 и ® E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr3+ на уровнях E2 и и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к основному уровню E1. Это позволило создать Л., работающий на переходах E2® E1 и ® E1, генерирующий свет с длиной волны l " 0,7 мкм.
Для создания инверсии населённостей уровней E2, относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+ на уровни E2, за время, не превышающее 10-3 сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3 сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколько дж.
Большое распространение получил метод создания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрических разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергию излучения Л. (см. Газовый лазер).
В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (с добавлением ряда др. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновений возбуждённых молекул N2 с молекулами CO2 происходит заселение одного из колебательных уровней CO2, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпд достигает 20-30%.
В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в котором газовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO2 (см. Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, - порядка 0,1 дж на 1 см 3 объёма конденсатора.
Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химических связей для возбуждения частиц, т.е. создание активной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.
В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическим возбуждением.
Лекция 1 2 .
Природа света. Спонтанное и вынужденное излучение. Инверсия заселенности энергетических уровней. Принцип работы лазера.
1. Атомы могут находиться в стационарных состояниях с дискретными значениями энергии сколь угодно долгое время, не излучая энергии.
1.1. Переход из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние сопровождается поглощением или испусканием кванта электромагнитного излучения.
1.2. При поглощении кванта электромагнитного излучения электрон переходит на уровень с большим энергетическим значением, а сам атом переходит в более высокоэнергетическое возбужденное состояние, в котором может находиться только в течение 10-8 с.
1.2.1. Так как для перехода на более высокоэнергетический уровень необходимо строго определенное значение энергии, то при возбуждении атомов квантами электромагнитного излучения поглощаются только те кванты, энергия которых равна разнице между энергиями исходного и конечного состояний.
1.2.2. Если вещество возбуждается излучением со сплошным спектром, то поглощаться будут только те кванты, энергии которых соответствуют энергиям перехода электрона на более высокоэнергетические уровни. В результате прохождения такого излучения через вещество в спектре этого излучения появляются темные линии, которые называются спектром поглощения .
1.3. Переход атома в основное состояние может происходить как непосредственно, так и путем последовательного перемещения электрона на уровни с меньшей энергией.
1.4. Переход электрона на уровень с меньшей энергией сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий уровней исходного и конечного состояний.
1.5. Так как возбужденных состояний может быть достаточно много, то испускаемые кванты имеют различную энергию, а, следовательно, различную длину волны.
1.6. Поскольку возбужденные состояния имеют дискретные значения энергии, совокупность испускаемых квантов образует линейчатый спектр.
1.6.1. Переходы электронов с высокоэнергетических уровней на один какой-то уровень образуют серию линий в спектре, параметры которой являются характерными для данного элемента и отличаются от параметров аналогичной серии другого элемента.
1.6.2. Совокупность серий образует спектр характеристического излучения вещества, который является однозначной характеристикой данного вещества.
1.6.3. На основе измерений параметров характеристического спектра созданы методы спектрального анализа.
2. Испускание квантов возбужденным атомом в отсутствие внешнего воздействия обычно происходит спонтанно, а возникающее при этом излучение называется спонтанным излучением .
2.1. При спонтанном испускании каждый квант возникает случайным образом и имеет свою фазу колебаний и поэтому спонтанное излучение не обладает временной когерентностью .
2.2. В соответствии с квантовой теорией вероятность рν нахождения атома в состоянии с энергией εν подчиняется распределению Больцмана
которое позволяет при заданном значении величины подводимой к атому энергии определить способность электрона занять тот или иной энергетический уровень.
|
|
2.3. Количество электронов, одновременно находящихся на энергетическом уровне называется заселенностью уровня .
2.4. При отсутствии внешних воздействий равновесная при данной температуре заселенность уровней поддерживается спонтанным испусканием квантов.
3. Вид спектра спонтанного излучения зависит от состояния атома, излучающего этот спектр.
3.1. Изолированные атомы испускают излучение с атомным спектром .
3.1.1. Состав атомного спектра для атома водорода и водородоподобных ионов может быть легко рассчитан по формуле Бальмера-Ридберга.
3.1.2. Для других атомов и ионов расчет атомных спектров представляет более сложную задачу.
3.2. Если атомы образуют молекулу, то возникает молекулярный спектр (полосатый спектр ). Каждая полоса в этом спектре представляет собой совокупность тесно расположенных спектральных линий.
3.2.1. Как и в атомных спектрах, каждая линия молекулярного спектра возникает в результате изменения энергии молекулы.
3.2.2. Энергию молекулы можно представить в виде
где – энергия поступательного движения молекулы; – энергия вращательного движения молекулы; – энергия колебательного движения атомов молекулы друг относительно друга; – энергия электронной оболочки молекулы; – внутриядерная энергия молекулы.
3.2.3. Энергия поступательного движения молекулы не квантована и ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, а влияние на молекулярный спектр в первом приближении можно не учитывать.
3.2.4. По правилу частот Бора
где , , – изменения соответствующих частей энергии молекулы.
3.2.5. Образование полос происходит из-за того, что
3.2.6. Молекулярные спектры имеют довольно сложный вид.
3.2.6.1. Спектр, обусловленный только переходом с одного вращательного уровня на другой вращательный уровень (вращательный спектр ), располагается в далекой инфракрасной области (длина волны 0,1 ¸ 1 мм).
3.2.6.2. Спектр, обусловленный только переходом с одного колебательного уровня на другой колебательный уровень (колебательный спектр ), располагается в инфракрасной области (длина волны 1 ¸ 10 мкм).
3.2.6.3. Спектр, обусловленный только переходом с одного электронного уровня на другой электронный уровень (атомный спектр ), располагается в видимой, ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра (длина волны 0,8 мкм ¸ 10-10 м).
|
|
3.2.6.4. При изменении энергии колебательного движения у молекулы может измениться и энергия вращательного движения. При этом возникает колебательно-вращательный спектр , который представляет собой колебательный спектр, каждая линия которого сопровождается близко расположенными линиями вращательных переходов.
3.2.6.5. Переходы между электронными уровнями молекулы часто сопровождаются переходами между колебательными уровнями. В результате возникает спектр, называемый электронно-колебательным , а, поскольку колебательным переходам сопутствуют вращательные переходы, то колебательные уровни в электронно-колебательном спектре представляются в виде размытых полос.
3.3. Комбинационное рассеяние (самостоятельное изучение ).
4. Переход атомов из более возбужденного состояния в менее возбужденное состояние под влиянием воздействия внешнего кванта электромагнитного излучения называется вынужденным излучением .
4.1. Вероятность вынужденного излучения зависит от энергии кванта, воздействующего на возбужденные атомы. Максимальная вероятность возникновения вынужденного излучения будет при равенстве энергии возбуждающего кванта энергии перехода.
4.2. При прохождении кванта через систему возбужденных атомов возникает поток квантов, энергия которых равна энергии возбуждающего кванта (эффект оптического усиления ).
|
|
4.3. Поглощение света в веществе происходит в соответствии с законом Бугера-Ламберта
где – натуральный показатель поглощения, а х – толщина поглощающего слоя.
Усиление потока квантов при прохождении через вещество аналогично отрицательному коэффициенту поглощения (отрицательная адсорбция света ).
4.4. Для среды с отрицательным коэффициентом поглощения справедлив закон Бугера-Ламберта-Фабриканта
Интенсивность света резко возрастает с увеличением толщины слоя.
4.5. Среда с отрицательным коэффициентом поглощения называется активной средой .
|
|
5. Между двумя энергетическими уровнями возможны три типа переходов
- переход электрона в более высокоэнергетическое состояние при поглощении кванта (1); спонтанный переход электрона в менее высокоэнергетическое состояние (2); вынужденный переход электрона в менее высокоэнергетическое состояние (3).
5.1. Количество электронов на возбужденных уровнях подчиняется распределению Больцмана и называется заселенностью уровня .
5.2. При обычной схеме излучения заселенность N более высокоэнергетического уровня меньше, чем заселенность менее высокоэнергетического уровня.
5.3. Число актов поглощения кванта пропорционально заселенности N 1 менее высокоэнергетического уровня, а число актов испускания пропорционально заселенности N 2 более высокоэнергетического уровня.
5.4. Натуральный показатель поглощения в законе Бугера-Ламберта пропорционален разности между числом актов поглощения и испускания
где k – коэффициент пропорциональности.
5.5. При обычной схеме излучения больцмановское распределении электронов за счет спонтанных переходов ().
5.6. За счет интенсивного возбуждения системы атомов (накачка ) можно добиться такого нарушения больцмановского распределения, что N 2 станет больше N 1 (инверсная заселенность ). Тогда натуральный показатель поглощения становится меньше нуля и мы получаем закон Бугера-Ламберта-Фабриканта.
6. Возникновение вынужденного излучения реализовано в лазерах .
|
|
6.1. Первоначально для получения вынужденного излучения использовалась трехуровневая схема в рубине, кристаллическая решетка которого содержит примесь Cr, создающего узкий двойной дополнительный уровень В в зоне возбужденных состояний.
6.1.1. При возбуждении атомной системы светом ксеноновой лампы (оптической накачке ) большое количество электроновпри поглощении квантов (1) переводится с основного уровня А на возбужденные уровни C и D .
6.1.2. Электроны с этих уровней посредством спонтанных переходов (2) без излучения заселяют менее высокоэнергетический уровень В , создавая на нем инверсную заселенность. Энергия перехода при этом передается кристаллической решетке и повышает температуру вещества.
6.1.3. Переходы с инверсного уровня В на основной А осуществляются под действием квантов с энергией, соответствующей разности энергий между инверсным уровнем и основным уровнем.
|
|
6.2. Аппаратно схема лазера представляет собой стержень А из активного вещества, ограниченный с торцов двумя зеркалами – непрозрачным В и полупрозрачным С .
6.2.1. После накачки активного вещества первый же переход с инверсного уровня на основной приводит к образованию кванта, запускающего процесс возникновения лазерного излучения.
6.2.2. Распространение кванта в активной среде приводит к инициации вынужденных переходов. Наибольшей эффективностью в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Фабриканта обладают кванты, распространяющиеся вдоль стержня.
6.2.3. При отражении от полупрозрачного зеркала за пределы активной среды выходит часть потока квантов, которая и является лазерным излучением. Остальная часть потока квантов возвращается в активную среду, для инициации вынужденных переходов.
6.2.4. Небольшое отклонение направления распространения квантов от оси кристалла устраняется при помощи искривленной поверхности отражающих зеркал В и С .
6.2.5. Эффект квантового усиления значительно увеличивается при многократном прохождении инициирующих квантов через активную среду.
6.2.6. Инверсный уровень хрома состоит из двух подуровней и потому излучение рубинового лазера состоит из квантов с двумя длинами волн (0,6927 нм и 0,6943 нм).
7. В настоящее время в качестве активной среды в лазерах используются:
- твердые тела (рубин; иттрий-алюминиевыйгранат, активированный неодимом; стекло, активированное неодимом); газы и газовые смеси (N2; CO; CO2; пары металлов); жидкости (растворы органических красителей); полупроводники.
7.1. Лазерное излучение в твердых телах возникает при переходах между энергетическими уровнями примесных атомов. Длина волны в пределах 0,35¸1,06 мкм при мощности до 1 кВт.
7.2. Лазерное излучение в газах чаще всего возникает при электронно-колебательных переходах между различными электронными состояниями (N2-лазер, эксимерные лазеры) или на колебательно-вращательных переходах в пределах одного электронного состояния (СО2-, СО-лазеры). Длина волны в пределах 5¸11 мкм при мощности до 15 кВт.
7.3. Лазерное излучение в жидкостях при электронных переходах между энергетическими уровнями красителей. Длина волны в пределах 0,2¸5 мкм при мощности до 1,5 Вт. Возможна плавная перестройка длины волны.
7.4. Инверсия заселенности в полупроводниковых лазерах создается на переходах между состояниями в валентных зонах полупроводникового кристалла, а не между дискретными уровнями. Длина волны в пределах 0,75¸30 мкм при мощности до 0,5 Вт.
8. Основными характеристиками лазерного излучения являются:
- Пространственная и временная когерентность излучения
. Время когерентности достигает 10-3 с. Это соответствует длине когерентности примерно 105 м. Хорошая монохроматичность излучения
. Примесные уровни значительно уже уровней основного вещества и потому спектральная ширина излучения может не превышать 10-11¸10-10 м. Малая расходимость пучка
:
0,5¸10 мрад для газовых лазеров;
0,2¸5 мрад для твердотельных лазеров.
- Высокая плотность мощности
в сфокусированном пучке (до 1010 Вт/м2).
Прохождение излучения через вещество. Инверсная населенность уровней. Снова рассмотрим двухуровневую среду с энергетическими уровнями и . Если на эту среду падает монохроматическое излучение с частотой
то при распространении его на расстояние dx изменение спектральной плотности энергии будет связано как с резонансным поглощением, так и с индуцированным (вынужденным) излучением атомов системы. За счет индуцированного излучения спектральная плотность энергии в пучке возрастает, причем это увеличение энергии должно быть пропорционально:
.
Здесь - размерный коэффициент пропорциональности.
Аналогично за счет процессов поглощения фотонов спектральная плотность энергии в пучке уменьшается:
.
Складывая и , находим полное изменение плотности энергии:
Учитывая равенство коэффициентов Эйнштейна и вводя коэффициент поглощения a , записываем это уравнение в виде
Решение этого дифференциального уравнения имеет вид
|
|
.Эта формула дает спектральную плотность энергии u в пучке фотонов при прохождении ими слоя вещества толщиной x , где соответствует точке x = 0 .
В условиях термодинамическою равновесия, в соответствии с распределением Больцмана, , поэтому коэффициент поглощения а положителен ():
Таким образом, плотность энергии излучения, как видно из (6.18), убывает по мере прохождения через вещество, то есть свет поглощается. Однако, если создать систему, в которой , то коэффициент поглощения станет отрицательным и будет иметь место не ослабление, а усиление интенсивности света. Состояние среды, в котором называется состоянием с инверсной населенностью уровней , а сама среда называется тогда активной средой . Инверсная населенность уровней противоречит равновесному распределению Больцмана и может быть создана искусственно, если система выведена из состояния термодинамического равновесия.
Это создает принципиальную возможность усиления и генерации когерентного оптического излучения и используется на практике при разработке источников такого излучения - лазеров.
Принцип работы лазера. Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах (активных средах). Первый практический генератор в видимой области спектра был создан в (США Мейманом (1960)) на основе рубина. Рубин представляет собой кристаллическую решетку , содержащую небольшую (0,03 % – 0,05 % ) примесь ионов хрома (). На рис. 6.1 представлена схема энергетических уровней хрома (трехуровневая среда ). Широкий уровень используется для возбуждения ионов хрома светом мощной газоразрядной лампы с широкой полосой частот в зелено-голубой области видимого света - лампы накачки . Возбуждение ионов хрома за счет энергии накачки от внешнего источника изображено стрелкой .
Рис. 6.1. Схема активной трехуровневой среды (рубин)
Электроны с короткоживущего уровня совершают быстрый ( c ) безызлучательный переход на уровень (изображен синей стрелкой). Выделяемая при этом энергия не испускается в виде фотонов, а передается кристаллу рубина. При этом рубин нагревается, поэтому в конструкции лазера предусматривается его охлаждение.
Время жизни долгоживущего узкого уровня составляет c , то есть на 5 порядков больше, чем у широкополосного уровня . При достаточной мощности накачки число электронов на уровне (его называют метастабильным ) становится больше, чем на уровне , то есть создается инверсная населенность между «рабочими» уровнями и .
Излученный при спонтанном переходе между этими уровнями фотон (изображен штриховой стрелкой ) индуцирует испускание дополнительных (вынужденных) фотонов - (переход показан стрелкой ), которые в свою очередь вызывают индуцированное излучение целого каскада фотонов с длиной волны .
Пример 1. Определим относительную населенность рабочих уровней в кристалле рубина при комнатной температуре в условиях термодинамического равновесия.
Исходя из длины волны, испускаемой рубиновым лазером, находим разность энергий:
.
При комнатной температуре Т = 300 К имеем:
Из распределения Больцмана следует теперь
.
Реализация активной среды с инверсной населенностью уровней - это лишь половина дела. Для работы лазера необходимо также создать условия для генерации света, то есть использовать положительную обратную связь . Активная среда сама по себе способна лишь усиливать проходящее излучение. Для осуществления режима генерации необходимо такое усиление индуцированного излучения, которое компенсировало бы все потери в системе. Для этого активное вещество помещают в оптический резонатор , образованный, как правило, двумя параллельными зеркалами, одно из которых является полупрозрачным и служит для вывода излучения из резонатора. Конструктивно в первых лазерах на рубине использовались кристаллы цилиндрической формы длиной 40 мм и диаметром 5 мм . Торцы были отполированы параллельно друг другу и служили зеркалами резонатора. Один из торцов был посеребрен так, что коэффициент отражения был близок к единице, а другой торец был полупрозрачным, то есть имел коэффициент отражения меньше единицы, и использовался для вывода излучения из резонатора. Источником возбуждения служила мощная импульсная ксеноновая лампа, обвивающая рубин спиралью. Устройство рубинового лазера схематически представлено на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Устройство рубинового лазера: 1 - рубиновый стержень; 2 - импульсная газоразрядная лампа; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - зеркало; 5 - индуцированное излучение
При достаточной мощности лампы накачки большинство (около половины) ионов хрома переводится в возбужденное состояние. После того как достигается инверсная населенность для рабочих уровней с энергией и , первые спонтанно излучаемые фотоны, соответствующие переходу между этими уровнями, не имеют преимущественного направления распространения и вызывают индуцированное излучение, распространяющееся также по всем направлениям в кристалле рубина. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от его торцов. Фотоны же, распространяющиеся в других направлениях, выходят из кристалла рубина через его боковую поверхность и не участвуют в формировании выходящего излучения. Так в резонаторе генерируется узкий пучок света, а многократное прохождение фотонов через активную среду индуцирует излучение все новых и новых фотонов, усиливая интенсивность выходного пучка.
Генерация светового излучения рубиновым лазером показана на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Генерация излучения рубиновым лазером
Таким образом, оптический резонатор выполняет две функции: во-первых, создает положительную обратную связь и, во-вторых, формирует узкий направленный пучок излучения с определенной пространственной структурой.
В рассмотренной трехуровневой схеме для создания инверсной населенности между рабочими уровнями нужно возбудить достаточно большую долю атомов, что требует значительных затрат энергии. Более эффективной является четырехуровневая схема , которая применяется в твердотельных лазерах, например, с использованием ионов неодима . В наиболее распространенном газовом лазере на нейтральных атомах - гелий - неоновом лазере - также выполняются условия для генерации по четырехуровневой схеме. Активной средой в таком лазере является смесь инертных газов - гелия и неона с энергией основного состояния (которую мы принимаем за нулевой уровень ). Накачка осуществляется в процессе электрического газового разряда, благодаря которому атомы переходят в возбужденное состояние с энергией . Уровень в атомах неона (рис. 6.4) близок к уровню в гелии, и при столкновении атомов гелия с атомами неона энергия возбуждения может быть эффективно передана последним без излучения.
Рис. 6.4. Схема уровней Не - Ne -лазера
Таким образом, уровень неона оказывается более населенным, нежели более низкий уровень . Переход между этими рабочими уровнями сопровождается излучением с длиной волны 632.8 нм , которая является основной в промышленных Не-Ne -лазерах. На уровне атомы неона долго не задерживаются, быстро возвращаясь в основное состояние. Заметим, что уровень в неоне заселен крайне незначительно, и потому для создания инверсной населенности между и надо возбудить небольшое число атомов гелия. Это требует гораздо меньших затрат энергии как на накачку, так и на охлаждение установки, что характерно для четырехуровневой схемы генерации. Для лазерной генерации могут быть использованы и другие уровни неона (не показаны на рис. 6.4), дающие излучение как в видимом, так и в ИК-диапазоне, причем гелий используется только для процесса накачки.
Пример 2. Найдем относительную равновесную населенность уровня в неоне при комнатной температуре.
Эта задача отличается от предыдущей лишь численными значениями. Для разнообразия проведем вычисления в электрон-вольтах. Выразим сначала в этих единицах постоянную Больцмана:
так что при комнатной температуре
.
Теперь легко находим
Столь малое число с практической точки зрения не отличается от нуля, поэтому даже при слабой накачке создается инверсная населенность между уровнями и .
Излучение лазеров отличается характерными особенностями:
высокой временной и пространственной когерентностью (монохроматичность излучения и малая расходимость пучка);
высокой спектральной интенсивностью.
Характеристики излучения зависят от типа лазера и режима работы, однако можно отметить некоторые близкие к предельным значения параметров:
Короткие (пикосекундные) импульсы лазера незаменимы при изучении быстротекущих процессов. В импульсе может развиваться чрезвычайно высокая пиковая мощность (до нескольких ГВт), что равно мощности нескольких блоков АЭС по миллион кВт каждый. При этом излучение может быть сосредоточено в узком конусе. Такие пучки позволяют, например, «приваривать» сетчатку к глазному дну.
Типы лазеров. В рамках курса общей физики мы не можем остановиться подробно на специфических особенностях и технических применениях лазеров различных типов ввиду их чрезвычайного многообразия. Ограничимся лишь достаточно кратким обзором типов лазеров, различающихся характеристиками активной среды и способами накачки.
Твердотельные лазеры. Обычно они бывают импульсными, первым таким лазером был описанный выше рубиновый. Популярны лазеры на стекле с неодимом в качестве рабочего вещества. Они генерируют свет с длиной волны порядка 1,06 мкм , имеют большие размеры и пиковую мощность до ТВт. Могут быть использованы для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу. Пример - огромный лазер «Шива» в Ливерморской лаборатории в США.
Очень распространены лазеры на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG), излучающие в ИК-диапазоне на длине волны мкм . Они могут работать как в непрерывном режиме генерации, так и в импульсном, с частотой повторения импульсов до нескольких кГц (для сравнения: у рубинового лазера - 1 импульс в несколько минут). Имеют широкий спектр применений в электронной технике (лазерная технология), оптической локации, медицине и др.
Газовые лазеры. Обычно это лазеры непрерывного действия. Отличаются правильной пространственной структурой пучка. Пример: гелий-неоновый лазер, генерирующий свет на длинах волн 0,63 , 1,15 и 3,39 мкм и имеющий мощность порядка мВт. В технике широко используется - лазер с мщностью порядка кВт и длинами волн 9,6 и 10,6 мкм . Один из способов накачки газовых лазеров - электрический разряд. Разновидность лазеров с активной газовой средой - химические и эксимерные лазеры.
Химические лазеры. Инверсная населенность создается в процессе химической реакции между двумя газами, например водородом (дейтерием) и фтором. В основе лежат экзотермические реакции
.
Молекулы HF уже рождаются с возбуждением колебаний, что сразу создает инверсную населенность. Образовавшаяся рабочая смесь пропускается со сверхзвуковой скоростью через оптический резонатор, в котором в виде электромагнитного излучения выделяется часть накопленной энергии. С помощью системы зеркал резонатора это излучение фокусируется в узкий луч. Такие лазеры излучают большую энергию (более 2 кДж ), длительность импульса около 30 нс , мощность до Вт . КПД (химический) достигает 10 % , в то время как обычно для других типов лазеров - доли процента. Генерируемая длина волны - 2,8 мкм (3,8 мкм для лазеров на DF ).
Из многочисленных типов химических лазеров наиболее перспективными признаны лазеры на фтористом водороде (дейтерии). Проблемы: излучение лазеров на фтористом водороде с указанной длиной волны активно рассеивается молекулами воды, всегда имеющимися в атмосфере. Это намного ослабляет яркость излучения. Лазер на фтористом дейтерии работает на длине волны, для которой атмосфера практически прозрачна. Однако удельное энерговыделение таких лазеров в полтора раза меньше, чем у лазеров на HF . Это значит, что при использовании их в космосе придется выводить гораздо большее количество химического топлива.
Эксимерные лазеры. Молекулы эксимера - это двухатомные молекулы (например, ), которые могут находиться только в возбужденном состоянии - невозбужденное состояние у них оказывается неустойчивым. С этим связана основная особенность эксимерных лазеров: основное состояние эксимерных молекул является незаполненным, то есть нижний рабочий лазерный уровень всегда оказывается пустым. Накачка осуществляется импульсным электронным пучком, который переводит значительную часть атомов в возбужденное состояние, в котором они и объединяются в эксимерные молекулы.
Поскольку переход между рабочими уровнями является широкополосным, возможна перестройка частоты генерации. Лазер на дает перестраиваемые излучения в области УФ ( нм ) и имеет высокую эффективность (20 % ) преобразования энергии. В настоящее время эксимерные -лазеры с длиной волны 193 нм используются в офтальмологической хирургии для поверхностного испарения (абляции) роговицы.
Жидкостные лазеры. Активное вещество в жидком состоянии однородно и допускает циркуляцию с целью охлаждения, что создает преимущества перед твердотельными лазерами. Это позволяет получить большие энергии и мощности в импульсном и непрерывном режимах. В первых жидкостных лазерах (1964–1965) использовались соединения редкоземельных элементов. На смену им пришли лазеры на растворах органических красителей.
В таких лазерах обычно используется оптическая накачка излучения других лазеров видимого или УФ-диапазона. Интересным свойством лазеров на красителях является возможность перестройки частоты генерации. Подбором красителя можно получить генерацию на любой длине волны от ближнего ИК- до ближнего УФ-диапазона. Это связано с широкими сплошными колебательно-вращательными спектрами молекул жидкости.
Полупроводниковые лазеры. В отдельный класс выделяются твердотельные лазеры на полупроводниковых материалах. Накачка производится бомбардировкой пучком электронов, мощным лазерным облучением, но чаще - методами электроники. В полупроводниковых лазерах используются переходы не между дискретными уровнями энергии отдельных атомов или молекул, а между разрешенными энергетическими зонами, то есть совокупностями близко расположенных уровней (об энергетических зонах в кристаллах подробнее говорится в последующих разделах). Использование различных полупроводниковых материалов позволяет получать излучение на длинах волн от 0,7 до 1,6 мкм . Размеры активного элемента чрезвычайно малы: длина резонатора может быть менее 1 мм .
Типичная мощность порядка нескольких кВт, длительность импульса около 3 нс , эффективность достигает 50 % , имеют широкое применение (волоконная оптика, связь). Могут быть использованы для проецирования телевизионного изображения на большой экран.
Лазеры на свободных электронах. Пучок высокоэнергетических электронов пропускается через «магнитную гребенку» - пространственно-периодическое магнитное поле, вынуждающее электроны колебаться с заданной частотой. Соответствующее устройство - ондулятор - представляет собой ряд магнитов, которые располагаются между секциями ускорителя, так что релятивистские электроны движутся вдоль оси ондулятора и совершают поперечные ей колебания, излучая первичную («спонтанную») электромагнитную волну. В открытом резонаторе, куда далее поступают электроны, спонтанная электромагнитная волна усиливается, создавая когерентное направленное лазерное излучение. Главная особенность лазеров на свободных электронах состоит в возможности плавной перестройки частоты генерации (от видимого до ИК-диапазона) за счет изменения кинетической энергии электронов. КПД таких лазеров составляет 1 % при средней мощности до 4 Вт . С использованием устройств возврата электронов в резонатор КПД может быть увеличен до 20–40 % .
Рентгеновский лазер с ядерной накачкой. Это наиболее экзотический лазер. Схематично он представляет собой ядерную боеголовку, на поверхности которой укреплено до 50 металлических стержней, ориентированных в разных направлениях. Стержни имеют две степени свободы и, подобно стволам орудий, могут направляться в любую точку пространства. Вдоль оси каждого стержня расположена тонкая проволока из материала высокой плотности (порядка плотности золота) - активная среда. Источником энергии накачки лазера служит ядерный взрыв. При взрыве активное вещество переходит в плазменное состояние. Мгновенно остывая, плазма испускает когерентное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Из-за высокой концентрации энергии излучение, попадая на цель, приводит к взрывному испарению вещества, образованию ударной волны и разрушению цели.
Таким образом, принцип действия и устройство рентгеновского лазера делают очевидным и область его применения. В описанном лазере не предусмотрены зеркала резонатора, использование которых в рентгеновском диапазоне не представляется возможным.
Некоторые виды лазеров показаны на рисунке ниже.
Некоторые виды лазеров: 1
-
лабораторный лазер; 2
-
лазер непрерывного действия на ;
3
-
технологический лазер для пробивания отверстий; 4
-
мощный технологический лазер
