Введение. 8 страница

где v0 — центральная частота.

При μ << 1 излучение называют квазимонохроматическим. Лазеры позволяют получить излучение со значением при достаточно большой мощности.

Понятие монохроматичности тесно связано с понятием когерентности.

Когерентность света представляет собой взаимную согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства и (или) времени, которая характеризует их способность к интерференции.

Различают пространственную и временную когерентность. Пространственная когерентность связывается с корреляцией фазы колебаний в разных точках пространства в один и тот же момент времени. При сложении когерентных колебаний возникает устойчивая интерференционная картина.

Корреляцию колебаний в определенной точке пространства можно наблюдать только в определенном интервале времени. Этот интервал времени принято называть временем когерентности. Время когерентности обычно принимается за время жизни излученного колебания τ. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называют длиной когерентности L. При с длина когерентности см. Если учитывать, что ширина спектральной линии связана со временем жизни, то . В этом случае длина когерентности связана с шириной спектральной линии величиной . Таким образом, чем уже частотный спектр излучения, тем больше время когерентности и выше степень временной когерентности, и лучше монохроматичность излучения.

Лазер представляет собой уникальный источник оптического излучения и здесь будет уместно отметить его особенности.

Пространственная когерентность характеризует форму волнового фронта излучения. Лазерное излучение имеет высокую направленность, обусловленную свойствами оптического резонатора, и высокую спектральную мощность излучения.

Описание законов распространения лазерного излучения в свободном пространстве и в оптических системах производится с помощью пространственных параметров. К ним относятся диаметр пучка и его расходимость, диаграмма направленности, распределение плотности мощности (энергии) в поперечном сечении пучка, ось диаграммы направленности, ближняя и дальняя зоны лазерного излучения.

Под диаметром пучка лазерного излучения понимается диаметр поперечного сечения канала, внутри которого распространяется энергия лазерного излучения. Диаметр пучка на выходном зеркале плоского резонатора, как правило, определяется диаметром активного элемента. Если активный элемент имеет прямоугольное сечение, то размеры пучка определяются размерами сечения активного элемента. Размер поперечного сечения пучка, естественно, несколько меньше соответствующих размеров активного элемента, т.к. электромагнитное поле спадает к его краям. Конкретное значение размера поперечного сечения пучка зависит от размеров активного элемента, модового состава излучения и выбранного уровня энергии в пучке.

Расходимость лазерного излучения — это плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения. Эту расходимость называют угловой. Существует также понятие энергетической расходимости, которое представляет собой телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии. Диаграмма направленности лазерного излучения — это угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. Ось диаграммы направленности лазерного излучения представляет собой прямую, проходящую через максимум углового распределения энергии или мощности лазерного излучения. При симметричном распределении поля ось диаграммы направленности совпадает с энергетической осью пучка.

Дальняя зона лазерного излучения представляет собой область пространства вдоль оси лазерного пучка, которая располагается на таком расстоянии от излучателя лазера, начиная с которого диаграмма направленности остается постоянной. Диаграмма направленности носит дифракционный характер независимо от того, ограничен лазерный пучок реальной диафрагмой или нет. Известно, что при описании дифракции пользуются понятиями зоны Френеля и зоны Фраунгофера. Дальняя зона лазерного излучения соответствует зоне Фраунгофера.

Распределение плотности мощности излучения можно получить из измерений, либо могут быть рассчитаны по известным параметрам резонатора. Связь параметров пучка с параметрами резонатора определяется типом резонатора.

6.5 Типы лазеров

Все известные типы лазеров условно можно разбить на следующие группы: лазеры на основе конденсированных сред, газовые лазеры, эксимерные лазеры и лазеры на свободных электронах.

6.5.1. Лазеры на основе конденсированных сред

6.5.1.1. Твердотельные лазеры

Под конденсированными средами будем понимать твердые тела и жидкости, атомные частицы (атомы, молекулы, ионы) которых связаны между собой. В таких телах не происходит самопроизвольный разрыв связей, и конденсированные тела сохраняют свой объем.

Твердотельный лазер представляет собой лазер, в котором активный средой служат диэлектрические кристаллы или стекла, активированные ионами редкоземельных элементов или ионами группы железа.

Первым лазером в оптическом диапазоне был лазер на кристалле рубина (А1₂О₃Сг⁺⁺⁺). В нем использовались оптическая накачка и открытый резонатор.

Инверсия населенностей уровней в нем создается путем импульсного облучения мошной ксеноновой лампой. Ионы хрома Сr+++ поглощают излучение и переходят из основного уровня Е1 в полосу накачки E3. В результате безызлучательного перехода E3 → Е2 заселятся метастабильный уровень E2, так что число возбужденных на нем атомов превышает число атомов на уровне E1 (см. Рисунок - 6.3, а). При стимуляции возникает излучение в красой части спектра путем перехода возбужденных ионов хрома уровня E2 на уровень Е1. Наиболее благоприятные условия возникают для генерации излучения с длиной волны λ = 0,6943 мкм.

На Рисунок - 6.6 приведена типичная функциональная схема твердотельных лазеров.

Рисунок - 6.6. Функциональная схема твердотельных лазеров: 1 — активный элемент; 2 — зеркала радиатора; 3 — осветитель; 4 — блок питания накачки; 5 — блок охлаждения; 6 — устройство управления; 7 — блок управления

Активный элемент 1, помещенный в оптический резонатор из двух зеркал 2, освещается осветителем. Осветитель 3 питается от блока конденсаторной батареи 4 и охлаждается с помощью охлаждающей системы 5. Зачастую в резонатор встраивается устройство управления 6, позволяющее формировать лазерное излучение с заданными пространственно временными характеристиками.

Блок охлаждения отводит от активного элемента и осветителя тепловую энергию, выделяемую при излучении и поглощении света накачки. КПД твердотельных лазеров составляет несколько процентов и поэтому отвод тепла крайне необходим. Выходная мощность лазера зависит от энергии накачки и имеет пороговую энергию. Выходная мощность может достигать несколько десятков джоулей в импульсном и порядка ста милливатт в непрерывном режимах.

Обратную связь в оптическом резонаторе можно включать и выключать с помощью устройства управления. Обычно используется электрооптический затвор, например, в виде ячейки Керра или ячейки Поккельса, Фарадея. Обратная связь включается на промежуток времени . Это время и определяет длительность импульса. Таким образом, накопленная на метастабильном уровне энергия возбужденных ионов хрома излучает энергию за очень короткий промежуток времени (~ 10^-8 с), что позволяет развить гигантскую мощность. Сфокусированный поток такого излучения обладает гигантской плотностью мощности, способной разрушить любые материалы.

Такие лазерные импульсы получили название гигантских (~10¹⁰ Вт и более), а конструкции получили название лазеров с модулированной добротностью. Гигантские импульсы можно увеличить по мощности, используя каскад лазерных усилителей. Такая мощность превосходит мощность самых больших электростанций мира.

Вторым типом твердотельных квантовых генераторов был лазер на стекле, активированном ионами неодима Nd+++. В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных лазерных элементов. Это позволяет изготавливать активные элементы очень больших размеров (~10² см) и снимать значительную энергию (~10⁴ Дж). Однако стекла имеют плохую теплопроводность и требуют применения эффективных систем охлаждения.

Лазеры на неодимовых стеклах работают по четырехуровневой схеме и излучают на основной длине волны 1,06 мкм, а также могут излучать на длине волны 1,32 мкм. Это ближний инфракрасный диапазон. В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1—10,0 мс. Мощность достигает значений 10¹³ Вт в режиме модулированной добротности и согласования мод.

Помимо неодима получили распространение лазеры, активный элемент которых активирован ионами Er₃⁺, Тu₃⁺, Но₃⁺(эрбий, тулий, гольмий).

Среди лазерных кристаллов, легированных неодимом, наибольшее распространение получил кристалл алюмоиттриевого граната Y₃A₁₅0₁₂ с атомарной концентрацией Nd⁺⁺⁺ до 1% по отношению к иттрию.

Другим распространенным активным элементом твердотельных лазеров является ортоалюминат иттрия YAIO₃. Он также легируется ионами неодима.

Определенный интерес для создания миниатюрных твердотельных лазеров представляют Монокристаллы двойного галлий-гадолиниевого вольфрама (КГВ), легированные неодимом, а также гелий-скандий-гадолиний гранат (ГСГГ), легированные либо хромом, либо неодимом. К настоящему времени эффект стимулированного излучения обнаружен более чем у 250 кристаллов с примесью ионов переходных групп (Nd, Eu, Но, Er, Tu, Yb).

6.5.1.2. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер представляет собой лазер на основе полупроводниковой активной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые переходы между дискретными уровнями энергии.

Полупроводниковый лазер представляет собой лазер на основе полупроводниковой активной среды, в которой используются квантовые переходы между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используются квантовые переходы между дискретными уровнями энергии.

В соответствии с зонной теорией полупроводников при поглощении фотона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны Еg, происходит переброс электрона из валентной зоны в зону проводимости Еc (Рисунок - 6.7, а). При этом в валентной зоне образуется дырка.

Рисунок - 6.7. Процесс взаимодействия полупроводника с квантами света: а — образование электронно-дырочной пары; б— спонтанная рекомбинация, сопровождаемая излучением фотона; в— вынужденная рекомбинация электрона и дырки

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит процесс спонтанного излучения (Рисунок - 6.7, б).

В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (Рисунок - 6.7,в). Для создания условий усиления света необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нарушено тепловое равновесие. С этой целью увеличивается концентрация электронов вблизи дна зоны проводимости и дырок около потолка валентной зоны.

Обозначим наивысший уровень энергии, до которого электрон плотно заполняет зону проводимости, величиной μ0. Чем больше электронов упаковано в дно зоны проводимости, тем выше этот уровень μ0.

Аналогично в валентной зоне существует уровень μg. Если одновременно вырождены электроны и дырки, то

(6.17)

При таких условиях электроны могут рекомбинировать только с теми дырками, которые лежат ниже μg. В свою очередь электроны могут быть заброшены в зону проводимости только на уровни выше μ0, потому как остальные уровни уже плотно упакованы (Рисунок - 6.7,в).

При этом случае возможны переходы в интервале частот

или

В этом случае полупроводник может усиливать и генерировать свет в полосе частот

Если поместить такой полупроводник в резонатор Фабри — Перо и создать положительную обратную связь, то при каждом проходе резонатора в полупроводнике полоса частот будет сужаться. Дело в том, что усиление в полосе частот Δv неодинаково. Существует частота максимального усиления, которая лежит в диапазоне Δv и именно на ней происходит максимальное усиление и формируется монохроматическое излучение.

Зависимость энергии электронов проводимости вблизи дна зоны проводимости и энергии дырок вблизи потолка валентной зоны от величины импульса р имеет вид парабол (Рисунок - 6.8), т.е., соответственно

Рисунок - 6.8. Зависимость энергии электронов проводимости и дырок от их импульсов: а — для прямого перехода; б — для непрямого перехода.

Величина т* обозначает эффективную массу электронов и дырок, которая существенно зависит от структуры кристалла. Расстояние между вершинами парабол равно ширине запрещенной зоны Еg.

Различают прямые и непрямые переходы. Если рекомбинация электронно-дырочной пары не сопровождается изменением колебательного состояния решетки, то переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень в валентной зоне называется прямым. Если рекомбинация электронно-дырочной пары сопровождается изменением колебатель­ного состояния решетки, то переход называется непрямым. В этом случае колебания ре­шетки поглощают часть импульса Δр и, соответственно, и энергию ΔЕ.

В этом случае уравнение инверсии населенностей для невырожденного электронно-дырочного газа записывается в виде

Создать в чистых полупроводниках состояние с одновременным вырождением электронов и дырок трудно. Обычно используют два полупроводника n- и р-типов, в каждом из которых электроны и дырки вырождены. В р—n-переходе может выполняться условие инверсии населенностей только при условии прямого напряжения.

Через р—n-переход потекут токи, состоящие из электронов и дырок. В тонком сдое р—n-перехода они рекомбинируют, излучая фотоны

Встречные потоки электронов и дырок будут поддерживать в р—n-переходе концентрацию, достаточную для условия вырождения электронов и дырок (Рисунок - 6.9).

Рисунок - 6.9. Энергетические диаграммы р—n-перехода в положение равновесия (а) и при приложении напряжения (б)

Чем выше электрическое поле в р—n-переходе, тем больший ток протекает через р—n-переход. Минимальный ток, при котором вынужденное излучение превышает поглощение, называется пороговым. На пороге генерации должно выполняться условие

где к— коэффициент усиления на длине активной среды между зеркалами, R — коэффициент отражения зеркал резонатора. При токе выше порогового р—n-переход является усиливающей средой. Введя положительную обратную связь в виде резонатора, из усилителя света можно получить генератор. В качестве резонатора используются гладкие гран полупроводникового кристалла.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход, получил название инжекционного лазера.

Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют получить высокую направленность излучения. Состояние инверсии населенности уровней может достигаться тронной накачкой, оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Наилучший эффект генерации получен на прямоугольных полупроводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов типа А2В6, А3B6, А3В5, А4В6 и т. п.

Особый интерес вызывают материалы, составляющие изопериодические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый период кристаллической решетки. С их помощью методами электронно-лучевой эпитаксии выращиваются бездефектные гетеропереходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформированные на основе гетероструктур.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, получил название гетеролазера.

Наиболее эффективными оказались полупроводники типа А3В5 с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наилучшими параметрами обладает гетеролазер на основе двойной гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совмещению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки можно получить устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла, но можно использовать и внешние оптические резонаторы. На Рисунок - 6.10 приведена структура гетеролазера с резонатором в виде сколотых граней кристалла.

Твердые лазерные растворы СаxSn1-xAsyP1-y позволяют получать коротковолновое излучение, а растворы типа 8пР позволяют получать низкопороговые инжекционные лазеры инфракрасного диапазона. Дальняя ИК область (λ > 5 мкм) осваивается с помошью твердых растворов РbSxSе1-x и РbS1-xТе.

Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в многоэлементные излучатели — фазированные лазерные монолитные линейки. Мощность излучения в импульсном режиме может достигать значения 10⁵Вт. Модуляцией накачки можно получить модулированное по амплитуде лазерное излучение.

Также создаются гетеролазеры с распределенной обратной связью. В таком типе лазеров одно из зеркал резонатора заменено дифракционной решеткой. С ее помощью можно получить излучение строго на определенных частотах.

Полупроводниковые лазеры находят широкое применение в устройствах обработки информации.

Рисунок - 6.10. Структура ДГС гетеролазера на основе арсенида галлия

В табл. 6.1 приведены некоторые материалы, на основе которых получен эффект генерации и сконструированы полупроводниковые лазеры.

Таблица 6.1. Материалы для полупроводниковых лазеров

Полупроводник	Рабочая температура, К	Длина волны излучения, А	Цвет излучения
ZnS			Ультрафиолетовый
ZnSe			Фиолетовый
CdS	4—300		Зеленый
CdSe			Оранжевый
CdSe			Красный
CdTe	4—80	7900—7960	Красный
GaPAs	80—300	8300—8360	Темно-красный
GaAs	4—300	8200—9000	Инфракрасный
GaSb			»»
InAs			»»
InSb			»»
Те			»»
PbS			»»
РЬТе			»»
PbSе			»»

6.5.1.3. Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры были реализованы на металлоорганических жидкостях, а именно на хелатах европия. Однако малая фотохимическая стойкость, большой коэффициент поглощения света не позволили применять их в промышленных конструкциях.

Неорганические жидкостные лазеры представляют собой раствор соединений типа TR+++ в неорганических растворителях сложного состава. Активными ионами в них служат, например, Nd+++. Генерация происходит по четырехуровневой схеме с поглощением света накачки собственными полосами поглощения Nd⁺⁺⁺. Рабочее вещество, например, смесь хлороксида фосфора (POCl³) с кислотой SnCl⁴ и ионами Nd⁺⁺⁺ находится в режиме циркуляции и позволяет получить узкий спектр генерации. В лазерах на красителях в качестве рабочего вещества используются сложные органические соединения. Эти соединения обладают системой сопряженных связей и интенсивными полосами поглощения во всех областях спектра. Растворы красителей представляют собой красители в воде, спирте, бензоле или активированные красителями полимерные материалы типа полиметилметакрилата, полиуретана. Схема лазера на красителях представлена на Рисунок - 3.6.

Рисунок - 6.11. Схема лазера на красителях

Главной особенностью лазеров на красителях является возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в диапазоне от ультрафиолетового (~ 330 нм) до ИК-диапазона (~1,8 мкм). Грубая перестройка производится путем замены кюветы с красителем. Для этого нужно примерно 30 кювет с различными соединениями, которых насчитывается порядка тысячи (Рисунок - 6.12).

Тонкая настройка на заданную длину волны осуществляется с помощью спектрально-селективных элементов, вводимых в резонатор. Такими элементами могут служить дисперсионные призмы, интерференционно-поляризационные фильтры и т. п.

Накачка таких лазеров осуществляется излучением импульсных ламп, излучением лазеров других типов. В зависимости от типа накачки различают лазеры импульсного или непрерывного режимов работы.

Рисунок - 6.12. Спектр мощности непрерывного лазера при использовании различных красителей: 1 — нильский голубой; 2 — крезил-фиолет перхлорат; 3 — родамин В; 4 — родамин 6G (мощность возбуждения 4 Вт); 5— родамин 6G (мощность возбуждения 2 Вт); 6— родамин 110; 7— флуоресцеин; 8 — кумарин В; 9 — кумарин 7; 10 — кумарин 102; 11 — 7-диэтил-амино-4-метилкумарин; 12 — кумарин 2; 13 — кумарин 120; 14 — карбостирол.

Особый класс составляют лазеры с распределенной обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора выполняет структура с периодическим изменением показателя преломления или усиления. Это можно осуществить, например, воздействуя на активную среду интерферирующими пучками накачки. РОС-лазеры способны генерировать на узкой линии (~ 10^-2 см-1), которая легко перестраивается в пределах полосы усиления. Лазеры на красителях с пассивной синхронизацией мод позволяют генерировать ультракороткие импульсы излучения (10^-14 с). Основная область применения жидкостных лазеров — это спектроскопические исследования.

Особенностью жидкостных лазеров является высокое значение ширины линии усиления активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры в УФ-диапазоне длин волн. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волны в достаточно широком диапазоне.

6.5.2 Газовые лазеры

Газовый лазер представляет собой лазер, в котором активной средой являются газы, пары или смеси газов или паров.

Как и все типы лазеров, газовый лазер состоит из следующих основных элементов:

□ активная среда с усилением на одной или нескольких линиях;

□ оптический резонатор для создания положительной обратной связи;

□ устройство накачки для создания инверсной населенности уровней.

Трубку или камеру с активной газовой средой помещают в оптический резонатор, состоящий из зеркал различной конфигурации. Плоскости зеркал должны быть перпендикулярны продольной оси трубки или камеры с газом. При создании в газе инверсной населенности уровней в результате накачки электромагнитным полем стимулируется процесс вынужденного излучения. Лазерное излучение выводится из резонатора через полупрозрачное зеркало, через края непрозрачного зеркала или через отверстие в нем. Среди отличительных особенностей газовых лазеров по сравнению с лазерами на конденсированных средах следует отметить следующие:

□ высокая оптическая однородность активной среды;

□ узкие спектральные линии излучения;

□ высокая степень когерентности излучения;

□ острая направленность излучения;

□ стабильность частоты излучения;

□ широкий диапазон рабочих длин волн излучения;

□ возможность использования активных газовых сред большого объема и протяженности.

По способу накачки газовые лазеры условно делятся на газоразрядные, газодинамические и химические

6.5.2.1 Лазеры на нейтральных атомах

Первым газовым лазером был гелий-неоновый лазер. Он относится к газоразрядным лазерам. Инверсная населенность уровней в нем осуществляется с помощью газового разряда. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми свободными электронами. Давление газов составляет величину в пределах долей мм рт. ст. Малая плотность газов позволяет зародившемуся в результате вынужденного излучения лучу многократно проходить между зеркалами резонатора не искажаясь. На Рисунок - 6.13 приведена схема газового Не-Ne лазера. Капилляр с газом помещается в цилиндр катода газоразрядной трубки. Окошки Брюстера помогают уменьшить потери излучения за проход луча. В Не-Nе лазере рабочим веществом служат нейтральные атомы неона.

Рисунок - 6.13. Схема Не-Nе лазера: 1 — разрядная трубка; 2 — катод; 3 — анод; 4 — окна Брюстера; 5 — капилляр со смесью газов; 6 — зеркала

Инверсия населенностей уровней осуществляется за счет первоначального возбуждения атомов гелия на уровни Е2 и E3. Они точно совпадают с уровнями Е4 и E5 возбужденных атомов неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит перекачка энергии (Рисунок - 6.14). Механизм резонансной передачи возбуждения позволяет перевести атомы неона в возбужденное состояние. Гелий, как буферный газ, является резервуаром возбуждения неона. Неон нельзя возбудить прямым переходом на уровни Е4 и Е5 из-за долго живущего метастабильного уровня Е2.

Инверсия населенностей достигается за счет долгоживущих уровней Е4 и Е5. Именно переход с них на уровень £3 позволяет получить стимулированное излучение в красном и инфракрасном диапазонах длин волн.

Рисунок - 6.14. Уровни энергии возбуждения атомов гелия и неона

Опустошение короткоживущего уровня Е3 неона происходит путем соударений атомов неона со стенками разрядной трубки, что переводит их на уровень Е2. С этой целью подбирается оптимальный диаметр газоразрядной трубки (до 10 мм). Генерация в красном диапазоне происходит на длине волны 0,63 мкм (6328 Å). Также возможна генерация излучения гелий-неоновых лазеров на длине волны 1,15 и 3,39 мкм. В настоящее время получена генерация на более чем 450 переходах между уровнями нейтральных атомов. Помимо гелий-неонового лазера весьма популярен ксеноновый лазер, генерирующий на длине волны λ = 3,5 мкм, и гелий-ксеноновый (λ = 2,02 мкм). Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.

Газовые лазеры работают в широком диапазоне длин волн (от 100 нм до 1000 мкм) и мощностей излучения (от 100 мкВт до 1 МВт) в непрерывном режиме и до 1 ТВт в импульсном режиме.

6.5.2.2 Ионные лазеры

Ионные лазеры имеют в качестве рабочих веществ ионизированные инертные газы (Хе, Kr, Ar, Ne), а также ионы фосфора, серы, хлора, кадмия, цинка и др.