Лазерные источники света

2.3.1 Физические основы работы лазеров. Лазер – это источник света, генерирующий оптическое излучение за счет вынужденных переходов в среде. Принципы получения оптического излучения любой активной средой можно понять в рамках простейшего рассмотрения энергетических уровней атомной системы. Рассмотрим два уровня, на которых могут находиться электроны атомной системы (рисунок 4).

Между этими уровнями возможны три типа переходов. Первый тип переходов – это спонтанные переходы, свидетельствующие о вероятностном, статистическом характере процессов испускания и поглощения света. Второй тип переходов – это вынужденные переходы, происходящие при переходах электронов из нижнего состояния в верхнее и наоборот. Вероятность этих переходов пропорциональна плотности излучения, действующего на атом. Третий тип переходов – это безизлучательные переходы, происходящие без излучения квантов энергии, а приводящие к переходу энергии кванта излучения в тепло.

1 – атомный переход при поглощении излучения; 2 – переход при вынужденном испускании излучения; 3 – спонтанный излучательный переход; 4 - безизлучательный переход.

n_j, n_i – число (населенность) атомов на верхнем и нижнем уровнях, соответственно.

Рисунок 4 – Вероятности переходов в двухуровневой атомной системе

Важная особенность вынужденного излучения, следствием которой и стала возможность создания лазеров, состоит в том, что квант вынужденного излучения идентичен по частоте, направлению распространения и поляризации кванту вынуждающего излучения.

Анализ показывает, что для того, чтобы получить усиление света необходимо создать среду, у которой населенность более высоких уровней была бы больше, чем населенность нижних. Такая среда называется средой с инверсной населенностью. Так как в состоянии термодинамического равновесия населенности верхних возбужденных состояний всегда меньше населенностей состояний с меньшей энергией, поэтому для создания инверсной населенности необходимо выбирать среды с определенным строением энергетических уровней. Обычно применяют трехуровневую схему, когда вынужденные переходы осуществляются между долгоживущим возбужденным уровнем и основным уровнем, а накачка лазерной среды производится через короткоживущий возбужденный уровень, расположенный немного выше долгоживущего возбужденного уровня. Широко используется также четырехуровневая схема лазерных уровней, при которой вынужденные переходы происходят между двумя возбужденными уровнями, верхний из которых является долгоживущим.

Таким образом, чтобы реализовать лазер, необходимо иметь среду, способную усиливать свет. Эта среда называется активной средой лазера, или активным элементом. Такая среда реализуется с помощью подвода энергии к активной среде от источника накачки. Но из радиотехники известно, что для превращения усилителя в генератор необходимо в усилителе организовать положительную обратную связь. В лазерной технике такая связь реализуется с помощью резонатора, представляющего собой два зеркала, расположенные параллельно друг другу. Поэтому лазер любой конструкции будет всегда иметь три необходимых элемента: это активная среда, установленная между зеркалами резонатора, резонатор и источник накачки, который превращает обычную среду в среду с инверсной населенностью. Эти элементы могут иметь различное конструктивное исполнение, но они обязательно будут присутствовать в любой конструкции лазера.

Благодаря зеркальному резонатору, лазер генерирует высоконаправленное излучение, распространяющееся вдоль оси резонатора. Это одна из особенностей лазера как источника излучения.

Из-за малой расходимости лазерного излучения реализуется высокая яркость, превосходящая в миллионы раз яркость тепловых источников, что является другой особенностью лазеров.

Третья особенность заключается в том, что все кванты вынужденного излучения практически имеют одну и ту же фазу, поэтому лазерное излучение обладает высокой степенью временной и пространственной когерентности.

Четвертая особенность лазерного излучения – это высокая степень монохроматичности.

Накачка активных сред различного типа лазеров осуществляется разными способами. Для твердотельных лазеров на монокристаллах это оптическая накачка с помощью ламп или других лазеров. Для газовых лазеров накачка осуществляется путем пропускания тока через активную среду. Для полупроводниковых инжекционных лазеров накачка осуществляется пропусканием через кристалл полупроводника электрического тока. Применяется также химическая накачка за счет энергии химической реакции. В некоторых лазерах на углекислом газе накачка осуществляется путем быстрого охлаждения нагретой газовой среды.

2.3.2 Основные типы лазеров. Принято классифицировать лазеры по нескольким признакам. Так по агрегатному состоянию активной среды различают твердотельные, газовые, полупроводниковые и лазеры на растворах органических красителей.

По режимам работы различают импульсные и непрерывные лазеры.

Широко распространенным типом газового лазера является гелий-неоновый лазер, активная среда которого представляет собой смесь гелия и неона в соотношении 10:1. Он работает в непрерывном режиме и излучает мощность до 50 мВт на длине волны 0,6328 мкм. Ширина генерируемого спектра составляет 1500 ГГц. Ширина отдельных мод порядка 10 кГц. Угловая расходимость – 1,5 мрад. В режиме генерации на одной продольной моде длина когерентности составляет порядка 15 км, поэтому такие лазеры находят применение в интерференционных измерениях и приборах. Гелий-неоновый лазер работает по четырехуровневой схеме накачки. Его КПД составляет менее 1%.

Вторым широко применяемым газовым лазером является аргоновый лазер. Он излучает в сине-зеленой области спектра на пяти спектральных линиях, две из которых (488 и 514,5 нм) наиболее интенсивные. Его мощность в непрерывном режиме генерации достигает 20 Вт. Накачка осуществляется сильноточным дуговым разрядом в аргоне. Они применяются для накачки лазеров на органических красителях и используются для создания визуальных эффектов при различных массовых зрелищных мероприятиях. КПД – менее 1 %.

Из твердотельных лазеров следует отметить неодимовый гранатовый лазер, активная среда которого представляет собой монокристалл иттрий-алюминиевого граната, активированного атомами неодима. Этот лазер генерирует в инфракрасной области спектра на длине волны 1,06 мкм. Гранатовый лазер работает по четырехуровневой схеме накачки как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В непрерывном режиме мощность генерации может достигать сотен ватт, а в импульсном – сотни мегаватт. Эти лазеры находят широкое применение в технологии и лазерной локации. КПД – порядка 1 %.

Главным достоинством лазеров на растворах органических красителей является возможность широкой перестройки генерируемой длины волны. Активной средой в таких лазерах являются кюветы с растворами, полимеры с внедренными в них красителями и пористые стекла, пропитанные растворами органических красителей. Путем использования нескольких красителей можно перекрыть область генерации от ближнего ультрафиолета, видимую область и часть ближней инфракрасной области. Такие лазеры работают по четырехуровневой схеме накачки. Перестройка спектра генерации осуществляется путем применения в резонаторе дисперсионных элементов – дифракционной решетки или дисперсионной призмы. Лазеры на красителях имеют перспективу использования в качестве спектрофотометров и в качестве источников при лазерном зондировании атмосферы. Накачка этих лазеров осуществляется лампами (в импульсном режиме) или аргоновыми лазерами (в непрерывном).

Основным широко используемым технологическим лазером на сегодня является лазер на углекислом газе. Мощность его генерации в непрерывном режиме может достигать десятки киловатт. Использование специальных методов накачки – газодинамической и химической, в принципе, позволяют от таких лазеров получить неограниченно большие мощности излучения. Отличительной особенностью таких лазеров является высокий КПД, достигающий 20 %.

Самым миниатюрным типом современных лазеров являются полупроводниковые лазеры, размеры активной среды которых не превышают одного миллиметра. С точки зрения электронного строения, такой лазер представляет собой полупроводниковый диод. Их часто и называют лазерные диоды. Его накачку осуществляют путем пропускания электрического тока через p-n -переход лазерного диода в прямом направлении. Лазерный резонатор может быть образован сколами самого полупроводникового кристалла, поэтому полупроводниковые лазеры самые компактные. Они изготавливаются по серийной технологии полупроводниковой микроэлектроники и выпускаются массовыми тиражами и поэтому недороги. Эти лазеры отличаются высокой надежностью. Современный лазер с непрерывной мощностью в несколько милливатт может работать непрерывно в течение нескольких лет без заметных изменений своих характеристик.

Самым распространенным типом полупроводниковых лазеров являются лазеры на двойной гетероструктуре, схема строения которого приведена на рисунке 5. Гетероструктура представляет собой контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Отличительной особенностью их строения является то, что область p-n -перехода окружена слоем с показателем преломления большим, чем окружающие слои. Другими словами, эта область представляет собой оптический волновод, по которому распространяется генерируемое в p-n -переходе излучение. Благодаря этому улучшаются энергетические характеристики лазеров. Плотность порогового тока составляет менее 1 кА/см², что в несколько раз меньше, чем пороговая плотность для лазеров без двойной гетероструктуры.

Для уменьшения тока накачки с целью получения непрерывного режима генерации световод делают в виде полоска с поперечным сечением порядка 20´1 мкм для лазеров мощностью порядка 100 мВт, а для лазеров красного света – 2,5´1 мкм. Т.е. лазер на двойной гетероструктуре представляет собой точечный источник.

Основной материал для изготовления полупроводниковых лазеров – это арсенид галлия. Но применяются также и другие материалы, такие как сернистый свинец, сернистый кадмий, теллуристый кадмий, сернистый цинк. КПД полупроводниковых лазеров может достигать до 70 %. (для непрерывных лазеров реальный КПД составляет 20 %).

1,7 – металлические контакты; 2 – полупроводниковый слой р типа; 3 – слой полупроводника р типа с более высоким показателем преломления (гетер); 4 – области р-n -перехода; 5 – слой полупроводника n типа с более высоким показателем преломления (второй гетер); 6 – слой полупроводника n типа; 8 – полосок; 9 – сколы кристалла, выполняющие роль зеркал лазерного резонатора; 10 – распределение показателя преломления в двойной гетероструктуре.

Рисунок 5 – Схема строения полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре

Фотометрическое тело излучения полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре имеет две ортогональные плоскости симметрии. Раскрыв диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n -перехода, составляет угол порядка 60⁰ по уровню половинной интенсивности, а в плоскости p-n -перехода – 20⁰. Широкая диаграмма направленности является главным недостатком полупроводниковых лазеров. В настоящее время созданы достаточно мощные полупроводниковые лазеры, излучающие с одного полоска мощность порядка одного ватта. Такие лазеры могут быть собраны в пакеты, содержащие несколько сотен лазерных диодов с суммарной мощностью в несколько сотен ватт, которые применяются для накачки твердотельных лазеров.

Выпускаются лазеры с разными длинами волн генерируемого излучения: от голубого цвета до нескольких сотен микрометров. Но наиболее эффективными и надежными являются лазеры на основе арсенида галлия, работающие в области 0,98 мкм.

Дальнейшее повышение мощности излучения, КПД и надежности полупроводниковых лазеров связывают с развитием технологии изготовления сверхтонких высокооднородных кристаллических слоев полупроводниковых материалов (сверхрешеток), в которых резко уменьшается число дефектов и их подвижность. Малое число дефектов повышает оптическую прочность материала и, следовательно, максимально возможную мощность лазера.

В последние годы проводятся интенсивные исследования по разработке волоконно-оптических лазеров на основе кварцевых волоконных световодов, активированных редкоземельными элементами. Достоинство таких лазеров заключается в том, что можно применять световоды большой длины и накачку осуществлять путем ввода излучения лазера накачки в световедущую сердцевину световода. Этим достигается высокая эффективность накачки. По литературным данным в таких лазерах получена мощность генерации 3 Вт в непрерывном режиме. В качестве отражателей в волоконном лазере применяются дифракционные решетки, изготовленные в световедущей сердцевине волоконного световода путем выжигания центров окраски, имеющихся в сердцевине.