ЛАЗЕРЫ И МАЗЕРЫ
ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) (аббревиатура слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света в результате вынужденного излучения), источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках; см. Лазерные материалы). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера — активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
* * *
лазер (оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до субмиллиметрового инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор. Название представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление света за счет вынужденного излучения). Первыми приборами этого типа были квантовые генераторы коротких радиоволн, получившие название мазеры (та же аббревиатура с заменой «light» на «mikrowave» — микроволны).
В советской литературе употреблялся также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).
Принцип работы лазера
Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:
E1 – E0 = h,
где h— постоянная Планка, — частота излученного фотона.
В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.
Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты . Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по экспоненциальному закону:
I = I0exp(z),
где — коэффициент квантового усиления среды, z — пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere — сцепленный).
Лазер состоит из трех основных компонент: активной среды, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, системы накачки, создающей инверсную заселенность, и оптического резонатора — устройства, создающего положительную обратную связь.
Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.
Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых — электрический ток или поток электронов.
Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи.
1. За счет отражения фотонов в зеркалах он заставляет световую волну многократно проходить по активной среде, повышая эффективность ее использования.
2. В момент начала генерации лазера в нем одновременно и независимо появляется множество волн. После отражения от зеркал резонатора усиливаются по преимуществу те, для которых выполняется условие образования стоячих волн: на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Все остальные частоты будут подавлены, излучение станет когерентным.
Процесс генерации
Система накачки создает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.
Режимы генерации
В зависимости от конструкции, способа накачки и состава активной среды лазеры излучают либо в непрерывном, либо в импульсном режиме. Непрерывное излучение дают газовые лазеры, импульсное — твердотельные; полупроводниковые и жидкостные лазеры могут работать как в том, так и в другом режиме.
Импульсный режим генерации обычно обусловлен импульсным режимом накачки (лампой-вспышкой, лазерной вспышкой). Если не приняты специальные меры, в активной среде возникает режим свободной генерации, при котором за время продолжения вспышки в активно среде успевает возникнуть целая серия импульсов. Чтобы лазер в каждом акте генерации излучал отдельный импульс, перед одним из зеркал его резонатора ставят оптический затвор, который открывается на время 10-4 — 10-10 с в момент, когда активная среда уже находится в состоянии инверсной заселенности. Вся энергия, накопленная в среде (от долей джоуля до нескольких сот джоулей), излучается в виде очень короткого, длительностью до фемтосекунд (10-15 с) и соответствующей мощностью порядка гигаватт (109 Вт), т. н. гигантского импульса.
Затвором для получения сверхкоротких лазерных импульсов может, например, служить кювета с раствором веществ, которые под действием светового импульса на короткое время становятся прозрачными.
Типы лазеров
В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов — твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т. п. Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители — лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.
Твердотельные лазеры
Рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмоиттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.
Газовые лазеры
Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон-ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно.
Лазеры на нейтральных атомах. Наиболее распространены лазеры на смеси гелия и неона (10:1), дающие непрерывное излучение в красной области ( = 0,6328 нм). К настоящему времени получена генерация свыше 450 частот от 34 элементов.
Ионные лазеры. Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar2+ ( = 0,4880; 0,5145 мкм, сине-зеленая область), Kr2+ ( = 0,5682; 0,6471 мкм, желто-красная область), Kr3+, Ne2+ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.
Молекулярные лазеры. Обладают высокой эффективностью (КПД до 25%) и мощностью (до десятков кВт в непрерывном режиме и десятков кДж в импульсном); излучают в ИК-диапазоне. Инверсная населенность создается УФ-излучением или электронным пучком. Наиболее распространены лазеры на CO2, H2O, N2. Лазеры на парах димера серы S2 обладают уникальной особенностью: за счет большого числа метастабильных уровней эта молекула излучает одновременно на 15 длинах волн видимого диапазона. Поэтому луч лазера на S2 кажется белым.
Газодинамические лазеры. Разновидность молекулярных газовых лазеров; представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000оС и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора; инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO2 работают в ИК диапазоне ( = 10,6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт.
Лазеры на парах металлов. Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах Cu излучают на длинах волн 510,4 и 578,2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт. Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.
Химические лазеры. Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме — свыше 2 кДж при длительности импульса имп 30 нс; в непрерывном — несколько кВт).
Эксимерные лазеры. Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) — короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar2, KrCl, XeO и т. п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 104 Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.
Жидкостные лазеры
Их активной средой служат растворы органических соединений, комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu), неорганические жидкости. Эти материалы в определенной мере сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов (большая однородность). При необходимости рабочие параметры среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной лампы.
Лазеры на красителях — наиболее распространенный тип жидкостных лазеров. Активной средой служат органические красители на основе бензола и ряда других соединений. Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором. Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так и последовательности ультракоротких импульсов длительностью до 210-13с.
Полупроводниковые лазеры
Активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны ( n-проводимость, от англ. negativ — отрицательный) либо дырки, их нехватка ( p-проводимость, от positiv — положительный). При их рекомбинации в слое p- n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком. Лазеры имеют очень высокий КПД (до 50%, а отдельные модели — около 100%) и большой коэффициент усиления. Благодаря этому размеры активного элемента лазеров исключительно малы (менее 1 мм). Широкий набор полупроводниковых материалов дают возможность получать излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 40 мкм. Лазеры разных типов работают и в непрерывном, и в импульсном режиме, развивая мощность от долей мВт до 1 МВт (только в импульсе).
Лазеры на свободных электронах
Действие лазеров основано на излучении электронов, которые колеблются под действием внешнего магнитного и/или электрического поля и перемещаются с около световой скоростью в направлении излучаемой волны. Из-за эффекта Доплера частота излучения во много раз превышает частоту колебаний электронов и попадает в диапазон длин волн от рентгеновского (менее 6 нм) до СВЧ--радиоизлучения. Наиболее коротковолновое излучение дают лазеры, в которых колебательные движения электронам сообщает поле мощной электромагнитной волны (комптоновский лазер или скаттрон) или периодическое поле т. н. ондулятора (предложен академиком В. Л. Гинзбургом в 1947 г.). Возможны и другие способы получения вынужденного излучения — вращение электронов в однородном магнитном поле (т. н. циклотронный резонанс), колебания в неоднородном электростатическом поле, различные виды черенковского излучения. Частота излучения лазеров на свободных электронах может плавно меняться в широких пределах простым изменением скорости движения электронов.
Применение лазеров
Широкое применение лазеров обусловлено свойствами их излучения — малой расходимостью луча, монохроматичностью и когерентностью излучения. Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оруждия и указок, в проигрывателях компакт дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии — как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO2) — для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства. Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химических экспериментах.
Основные этапы развития лазерной техники
Первым обосновал возможность получать индуцированное (вынужденное) излучение и указал на его когерентность А. Эйнштейн в 1916 г. В 1923 г. П. Эренфест подтвердил его выводы.
В 1927-1903 гг. П. Дирак создал квантово-механическую теорию вынужденного излучения.
Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928 г., и В. А. Фабрикантом (СССР) в 1939 г.
Сформулирована теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя мощности Ч. Таунсом(США) в 1951 г., Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (СССР) в 1953 г.
Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радио- и оптическом диапазонах создал В. А. Фабрикант с сотрудниками в 1951 г.
Теорию полупроводникового лазера на p- n-переходах сформулировал Дж. фон Нейман (США) в 1953 г.
Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке ( = 1,25 см) и усилителя мощности построены Ч. Таунсом с сотр., (США); Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым в 1954 — 1956 гг. (Нобелевская премия по физике за 1964 год.)
Первый квантовый генератор видимого света — импульсный лазер на рубине ( = 0,69 мкм) — сконструировал Т. Мейман (США) в 1960 г.
Первый газовый лазер на He—Ne сделал А. Джаван с сотр. (США) в 1961 г.
Ионный лазер — У. Б. Бриджес (США), 1964 г.
Лазер на свободных электронах — Дж. Мейди с сотр. (США), 1976--77 гг.
Полупроводниковые лазеры были предложены Н. Г. Басовым в 1962 г., осуществлены на p- n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962 г.
История развития науки и техники
С. Д. Транковский
