Оптичні квантові генератори

Лазери обов’язково мають три основні компоненти:

1) активне середовище, в якому створюється стан з інверсною заселеністю енергетичних рівнів;

2) систему накачування – пристрій для створення інверсії в активному середовищі;

3) оптичний резонатор – пристрій, який формує вихідний світловий пучок.

Інверсну заселеність рівнів в ОКГ практично здійснюють за трирівневою схемою, яку запропонували М.Басов і О. Прохоров в 1955 р.

Один з перших твердотільних ОКГ, що працює за схемою трьох рівнів, був створений у 1960 р. Т. Мейманом. Активним середовищем в такому ОКГ є кристал рубіну, який за хімічним складом – оксид алюмінію з домішкою оксиду хрому у кількості від 0,03до 0,05%. Вимушені переходи здійснюють іони хрому .

На рис. 4.10 показана схема енергетичних рівнів іона хрому . У ньому над основним рівнем розміщені дві енергетичні смуги і , а між рівнем і смугою знаходиться метастабільний рівень , який складається з двох енергетичних станів. Накачування в лазері здійснюється потужним спалахом ксенонової лампи. Іони хрому, які до спалаху знаходились на основному рівні , внаслідок поглинання зеленого або синього світла, яке випромінює ксенонова лампа, переходять у збуджені стани і . Час перебування іонів у збуджених станах становить , і вони здійснюють релаксаційний перехід на збуджений рівень без випромінювання. Рівень метастабільний, і час життя на ньому становить , тобто в разів більший за час перебування іона у звичайному збудженому стані і . Отже, заселеність іонами подвійного рівня перевищує заселеність основного рівня . При переході іонів хрому з метастабільного стану в основний рубіновий лазер випромінює світло двох хвиль: і , що лежать в червоній час­тині спектра. Більш інтенсивна лінія . Тому вона і підсилюється при роботі лазера. Виникненню інверсії рівнів і сприяє мала ймовірність спонтанних переходів іонах хрому з рівнів на рівень .

Для виділення напрямку лазерної генерації використовується елемент лазера – оптичний резонатор. Ним служить пара дзеркал, які встановлені паралельно одне одному. Найчастіше використовують дзеркала вгнуті.

Схема ОКГ зображена на рис. 4.11, де 1 – активне середовище, 2 і 3 – суцільне і напівпрозоре дзеркала.

Розглянемо фотон, який рухається паралельно до осі кристала. Він породжує лавину фотонів, які летять у тому самому напрямку (рис. 4.11, а). Частина цієї лавини частково пройде крізь напівпрозоре дзеркало 3 назовні, а частина відіб’ється і наростатиме в активному середовищі (рис. 4.11, б). Коли лавина електронів дійде до суцільного дзеркала 2, вона частково поглинеться, але після відбивання від дзер­кала 2 підсилений потік фотонів знову рухатиметься так само, як і первинний фотон (рис. 4.11, в). Потік фотонів, який був багато разів підсилений і вийшов з генератора крізь напівпрозоре дзеркало, утворює точно напрямлений пучок променів світла.

Довжина шляху, який проходить хвиля між двома відбиваннями, повинна становити ціле число довжин хвиль:

, або ,

де n= 1, 2,…

Якщо виконано цю умову, то хвилі, які при кожному відбиванні виходять з генератора через дзеркало 3, когерентні між собою.

Перший газовий лазер на суміші атомів неону і гелію був створений Джованом в 1960 р. В газових лазерах інверсна заселеність рівнів здійснюється електричним розрядом, що збуджується в газах.

В гелій-неоновому лазері накачування відбувається в два етапи: гелій (He) служить носієм енергії збудження, а лазерне випромінювання дає неон (Ne). Із всіх рівнів He, крім основного , для роботи лазера мають значення метастабільні рівні і з енергіями 19,82 і 20,61еВ відповідно (рис. 4.12). Спонтанний перехід з цих рівнів на основний рівень „заборонений”, тобто відбувається з дуже малою імовірністю. Тому час життя атома на цих рівнях і дуже великий. На цих метастабільних рівнях атоми Нe нагромаджуються в результаті зіткнень з електронами, що утворюються в розряді. Але рівні гелію і майже збігаються з рівнями і неону (рис. 4.12). Завдяки цьому при зіткненнях збуджених атомів гелію з незбудженими атомами неону інтенсивно відбуваються безвипромінювальні переходи атомів гелію у незбуджений стан з передачею енергії атомам неону. Цей процес збудження атомів Ne на рис. 4.12 символічно показаний горизон­тальними пунктирними стрілками. В результаті концентрація атомів Neна рівнях і сильно зростає, і виникає інверсна заселеність відносно рівнів і , а різниця заселеності рівнів і збільшується в декілька разів. Перехід атомів неону з рівня на рівень супроводжується генерацією червоного світла з довжиною хвилі = 0,6328мкм. Цей лазер може генерувати й інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль і .

Принципова схема гелій-неонового лазера наведена на рис. 4.13. Лазер складається з газорозрядної трубки Т діаметром 7–10 мм. Трубка заповнена сумішшю гелію (тиск ~ 1 мм.рт.ст.) і неону (тиск ~ 0,1 мм.рт.ст.). Кінці трубки закриті плоскопаралельними скляними або кварцовими пластинами і , які встановлені під кутом Брюстера до її осі. Це створює лінійну поляризацію лазерного випромінювання з електричним вектором, який паралельний до площини падіння. Дзеркала і , між якими розміщена трубка, сферичні з багатошаровими діелектричними покриттями. Вони мають високі коефіцієнти відбивання і практично не поглинають світла. Пропускна здатність дзеркала, через яке виходить випромінювання лазера, становить 2 %, а другого – менше 1 %. Між електродами трубки прикладається постійна напруга . Розрядний струм в трубці становить декілька десятків міліампер.

Лазерне випромінювання характеризується такими властивостями:

· високою часовою і просторовою когерентністю;

· строгою монохроматичністю ( );

· великою густиною потоку випромінювання;

· дуже малим кутовим розходженням в пучку.

Незвичайні властивості лазерного випромінювання мають широке застосування. ОГК можна з великою ефектив­ністю використовувати для зв’язку, локації. Випромінюванням ОГК можна пробивати найдрібніші отвори в найтвердіших речовинах, зварювати мікродеталі, використовувати механічну обробку, впливати на хід хімічних реакцій.