Работа рубинового и гелий-неонового лазера

Лазеры

Оптическими квантовыми генераторами, или лазерами, называют устройства, создающие когерентные электромагнитные волны в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения. Слово «лазер» образовано из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света вынужденным излучением.

Любой лазер содержит 3 компонента:

1) рабочее тело,

2) система накачки,

3) оптический резонатор. Рассмотрим назначение каждого из них.

1. Рабочее тело – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В качестве активной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечивать инверсную населенность. (В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО₂-лазера). В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры – вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазерным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer – возбужденный димер).

2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки

• «Оптическая» накачка – возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры.

• Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда присутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня.

• Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).

3. Оптический резонатор – это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча.

Процесс генерацииизлучения. Рассмотрим, как происходит процесс генерации. Система накачки создает в рабочем теле инверсную населенность. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбужденное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. За счет этого возрастает число их взаимодействий с возбужденными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического, когерентного света. Эффективность такого преобразования, то есть КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПДсоставляет 0,1-1 %.

Рубиновый лазер.Рассмотрим создание инверсной населенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах.

Рубин – это кристаллическая окись алюминия AI₂O₃, являющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0,05 %. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспечивает лазерную генерацию.

Из всего множества энергетических уровней атома хрома в (в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный с время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни (рис.).

Для создания инверсной населенности рубин облучают мощным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой n₀₂, соответствующей переходу частиц – атомов хрома – между уровнями 0 и 2. Фотоны внешнего облучения с частотой n₀₂ не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенности используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уровень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.

Фотоны внешнего облучения n₀₂ не могут вызвать индуцированное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (n₀₁)- Поэтому на уровне 1 постепенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 происходит спонтанно и сопровождается излучением с длиной волны 694,3 нм.

Гелий-неоновый лазер.Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий-неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10:1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0,1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. На рис. показаны энергетические уровни атомов гелия и неона.

Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенности уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.

Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уровнем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состояние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у атомов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденным атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 632,8 нм, мощностью 100 мВт.