ЛАЗЕР

Источник когерентного электро-магн. излучения оптич. диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов и молекул. Слово «Л.» - аббревиатура слов англ, выражения - усиление света вынужденным излучением. Первый Л. создан в 1960 (Т. Мейман, США) на кристалле рубина (синтетич. корунд, активированный ионами С г). Создание Л. и несколько ранее мазеров (1955) послужило основой зарождения и развития нового направления в физике и технике - квантовой электроники. Существующие Л. охватывают широкий диапазон длин волн - от вакуумного УФ до длинноволнового ИК и субмиллиметрового.

Принцип работы Л. В основе работы Л. лежит способность возбуждённых атомов (молекул) под действием внеш. электро-магн. излучения соответствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение. Система возбуждённых атомов (активная среда) может усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с инверсией населённостей, когда число атомов на возбуждённом энергетич. уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.

Во всех ранее существовавших традиц. источниках света использовалось спонтанное излучение системы возбуждённых атомов, складывающееся из случайных процессов излучения множества атомов вещества. При вынужденном излучении все атомы когерентно излучают кванты света, тождественные по частоте, направлению распространения и поляризации квантам внеш. поля. В активной среде Л., помещённой в оптический резонатор (образованный, например, двумя плоскими параллельными друг другу зеркалами), за счёт усиления при многократных проходах излучения между зеркалами формируется мощный когерентный пучок лазерного излучения, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Обычно лазерное излучение выводится из резонатора через одно из зеркал, к-рое делают частично прозрачным.

Энергия возбуждения подводится к Л. через систему накачки, обеспечивающую инверсию населённостей энергетич. уровней и необходимый коэф. усиления активной среды. Для создания и поддержания в активной среде инверсии населённостей применяются спец. методы, зависящие от структуры активной среды. Так, в Л. на кристалле рубина инверсия населённостей осуществляется посредством оптич. накачки по трёхуровневой схеме. В энергетич. спектре атомов Сг в кристалле рубина наряду с узкими уровнями Л; (осн. состояние) и (возбуждённое метастабильное состояние) имеется расположенная выше уровня С2 сравнительно широкая полоса энергетич. состояний (полоса поглощения), играющая роль третьего уровня. Под действием оптич. накачки атомы Сг переходят из осн. состояния 6 в состояние. Через очень короткий промежуток времени (10 с) атомы безызлучательно переходят в состояние.

Время жизни атомов в метастабильном состоянии существенно выше, чем в состоянии (10-3 с). При достаточно быстром переводе атомов из осн. состояния в состояние (при высокой мощности источника накачки) плотность числа частиц на уровне окажется выше, чем на уровне, т. е. возникнет инверсия населённостей уровней, при переходе между которыми осуществляется лазерная генерация.

Существуют активные среды, работающие по четырёхуровневой схеме; к ним относятся, например, кристаллы алюмоиттриевого граната с Мс1. В энергетич. спектрах таких сред между метастабильным си и основным уровнями имеется промежуточный рабочий уровень, который расположен настолько выше основного, что в условиях термодинамич. равновесия его заселённость незначительна. Лазерная генерация осуществляется при переходе. Малая населённость уровня облегчает создание инверсии населённостей, что является осн. преимуществом активных сред, работающих по четырёхуровневой схеме. По четырёхуровневой схеме работает большинство Л. на твёрдых активных средах, многие Л. на газовых средах, а также некоторые Л. др. типов.

Основой любого Л. является активный элемент, в котором непосредственно происходит процесс вынужденного излучения и формируется лазерный луч. Активный элемент, зеркала резонатора, система возбуждения часто объединяются в единую конструкцию, наз. излучателем. В состав Л. кроме излучателя входят блок электропитания и система охлаждения (для мощных Л.).Л. могут излучать в разл. режимах; непрерывно в течение длит, времени; однократно в виде одиночной вспышки; в импульсном режиме с разными частотами повторения импульсов. Как источник излучения Л. преобразует мощность источника возбуждения в когерентное оптич. излучение с определённым кпд (отношение мощности лазерного излучения к мощности возбуждения, подводимой к излучателю). Важной характеристикой Л. является также угловая расходимость лазерного излучения.

Классификация Л. По типу активной среды различают: газовые лазеры; жидкостные лазеры; твердотельные лазеры, к которым можно отнести также полупроводниковые лазеры. В газовых Л. (ГЛ) активной средой является газ или смесь газов, возбуждаемые газовым разрядом. Инверсия населённостей создаётся в результате избират. возбуждения энергетич. уровней, находящихся вблизи резонансных переходов разл. атомов, за счёт неупругих соударений частиц газа. Наиболее распространённым ГЛ является гелий-неоновый Л., излучающий на квантовых переходах между энергетич. уровнями атомов Ые с длиной волны л=0,6328 мкм. Др. важный представитель ГЛ - Л. на смеси газов СО2 - N2, излучающий в ИК диапазоне.

Лазерная генерация в Л. на ССЬ - N2 происходит на коле-бательно-вращат. переходах молекулы ОСЬ. Этот Л. имеет наиболее высокий кпд среди всех Л., достигающий 20-30%, а также наибольшую мощность непрерывного излучения, достигающую неск. десятков кВт. Широкое распространение среди ГЛ получили также ионные Л., в частности аргоновый Л., использующий генерации на ионах Аг, возбуждаемых мощным дуговым разрядом. Помимо ГЛ с возбуждением газовым разрядом получили развитие газодинамич. ГЛ, в которых инверсия населённостей возникает при резком охлаждении нагретой газовой смеси, а также хим. ГЛ, в которых возбуждённая активная среда образуется в результате протекания хим. реакций.В жидкостных Л. (ЖЛ) активной средой служат растворы органич. или неорганич. соединений. В получивших наибольшее распространение ЖЛ на р-рах органич. красителей удаётся осуществить плавную перестройку частоты излучения в пределах широкой (до 100 нм) полосы люминесценции красителя. Перестройка осуществляется с помощью дисперсионных элементов (призм, дифракц. решёток), расположенных внутри резонатора Л. ЖЛ на разл. органич. соединениях перекрывают диапазон длин волн 0,3-1,2 мкм. Накачка осуществляется лампами-вспышками или др. Л. В процессе накачки р-р красителя непрерывно прокачивается через область возбуждения.

Copyright © 2002 - 2017 Ravnopravie.kharkov.ua. All Rights Reserved.