Лазер — устройство и принцип на действие

Нормално поведение на светлината при преминаване през среда

Обикновено, когато светлината преминава през някаква среда, интензитетът й намалява. Числената стойност на това затихване може да се намери от закона на Бугер:

В това уравнение, освен интензитетите на светлината I при влизане и излизане от средата, има и коефициент, наречен линеен коефициент на поглъщане на светлината от средата. В традиционната оптика този коефициент винаги е положителен.

Отрицателно поглъщане на светлина

Ами ако по някаква причина коефициентът на абсорбция е отрицателен? Какво тогава? Ще има усилване на светлината, докато преминава през средата; всъщност средата ще покаже отрицателно поглъщане.

Условията за наблюдение на такава картина могат да бъдат създадени изкуствено. Теоретичната концепция относно пътя към прилагането на предложеното явление е формулирана през 1939 г. от съветския физик Валентин Александрович Фабрикант.

В хода на анализ на хипотетична среда за усилване на светлината, преминаваща през нея, Фабрикант предложи принципа на усилване на светлината. И през 1955 г. съветските физици Николай Генадиевич Басов и Александър Михайлович Прохоров прилагат тази идея на Фабрикант в радиочестотната област на електромагнитния спектър.

Помислете за физическата страна на възможността за отрицателна абсорбция. В идеализирана форма енергийните нива на атомите могат да бъдат представени под формата на линии — сякаш атомите във всяко от състоянията имат само строго определени енергии E1 и E2. Това означава, че при преминаване от състояние в състояние, атом или излъчва, или абсорбира изключително монохроматична светлина с точно определена дължина на вълната.

Но реалността далеч не е идеална и всъщност енергийните нива на атомите имат определена крайна ширина, тоест това не са линии с точни стойности. Следователно, по време на преходите между нивата, ще има и определен диапазон на излъчвани или поглъщани честоти dv, който зависи от ширината на енергийните нива, между които се осъществява преходът. Стойностите на E1 и E2 могат да се използват за обозначаване само на средата на енергийните нива на атома.

Така че, тъй като сме приели, че E1 и E2 са средните точки на енергийните нива, можем да разгледаме атом в тези две състояния. Нека E2> E1. Атомът може или да абсорбира, или да излъчва електромагнитно излъчване, когато преминава между тези нива. Да предположим, че като е в основно състояние E1, атом е погълнал външно излъчване с енергия E2-E1 и е преминал в възбудено състояние E2 (вероятността за такъв преход е пропорционална на коефициента на Айнщайн В12).

Намирайки се във възбудено състояние E2, атомът под действието на външно излъчване с енергия E2-E1 излъчва квант с енергията E2-E1 и е принуден да премине в основното състояние с енергията E1 (вероятността за такъв преход е пропорционален на коефициента на Айнщайн В21).

Ако паралелен лъч от монохроматично излъчване с обемна спектрална плътност w (v) преминава през вещество, чийто слой има единична площ на напречното сечение и дебелина dx, тогава интензитетът му ще се промени със стойността:

Тук n1 е концентрацията на атомите в състоянията E1, n2 е концентрацията на атомите в състоянията E2.

Замествайки условията от дясната страна на уравнението, приемайки, че B21 = B12, и след това замествайки израза за B21, получаваме уравнението за промяна на интензитета на светлината при тесни енергийни нива:

На практика, както бе споменато по -горе, енергийните нива не са безкрайно тесни, така че трябва да се вземе предвид тяхната ширина. За да не затрупваме статията с описание на трансформациите и куп формули, просто отбелязваме, че като въведем честотен диапазон и след това интегрираме по x, в крайна сметка ще получим формула за намиране на реалния коефициент на поглъщане на среден:

Тъй като е очевидно, че при условия на термодинамично равновесие, концентрацията n1 на атомите в ниско енергийно състояние E1 винаги е по -голяма от концентрацията n2 на атомите в по -високото състояние E2, отрицателното поглъщане е невъзможно при нормални условия, невъзможно е усилва светлината просто като премине през реална среда, без да предприема допълнителни мерки …

За да стане възможно отрицателното поглъщане, е необходимо да се създадат условия, когато концентрацията на атоми в възбудено състояние E2 в средата ще бъде по -голяма от концентрацията на атоми в основно състояние E1, тоест е необходимо да се организира в средата обратно разпределение на атомите според техните енергийни състояния.

Необходимостта от енергийно изпомпване на средата

За организиране на обърната популация от енергийни нива (за получаване на активна среда) се използва изпомпване (например оптично или електрическо). Оптичното изпомпване включва поглъщане на радиация, насочена към тях от атоми, поради което тези атоми преминават в възбудено състояние.

Електрическото изпомпване в газова среда предполага възбуждане на атоми чрез нееластични сблъсъци с електрони в газовия разряд. Според Фабрикант някои от нискоенергийните състояния на атомите трябва да бъдат елиминирани с помощта на молекулни примеси.

Практически е невъзможно да се получи активна среда, използвайки оптично изпомпване в двустепенна среда, тъй като количествено преходите на атоми за единица време от състояние Е1 в състояние Е2 и обратно (!) В този случай ще бъдат еквивалентни, което означава че е необходимо да се прибегне поне до тристепенна система.

Помислете за тристепенна помпена система. Нека външното излъчване с енергията на фотона E3-E1 действа върху средата, докато атомите в средата преминават от състоянието с енергията E1 в състоянието с енергията E3. От енергийното състояние E3 са възможни спонтанни преходи в състояние E2 и в E1. За да се получи обърната популация (когато има повече атоми с ниво Е2 в дадена среда), е необходимо да се направи нивото на Е2 по-дълготрайно от Е3. За това е важно да се спазват условията:

Спазването на тези условия ще означава, че атомите в състояние Е2 остават по -дълги, тоест вероятността от спонтанни преходи от Е3 в Е1 и от Е3 в Е2 надвишава вероятността от спонтанни преходи от Е2 в Е1. Тогава нивото на Е2 ще се окаже по-дълготрайно и такова състояние на ниво Е2 може да се нарече метастабилно. Следователно, когато светлината с честота v = (E3 — E1) / h преминава през такава активна среда, тази светлина ще бъде усилена. По подобен начин може да се използва система на четири нива, тогава нивото E3 ще бъде метастабилно.

Лазерно устройство

По този начин лазерът включва три основни компонента: активна среда (в която се създава инверсия на населението на енергийните нива на атомите), помпена система (устройство за получаване на инверсия на населението) и оптичен резонатор (който усилва радиацията многократно и образува насочен лъч на изхода). Активната среда може да бъде твърда, течна, газообразна или плазма.

Изпомпването се извършва непрекъснато или импулсно. При непрекъснато изпомпване захранването на средата е ограничено от прегряването на средата и последиците от това прегряване. При импулсно изпомпване полезната енергия, въведена на части в средата, се получава повече поради голямата мощност на всеки отделен импулс.

Различни лазери — различно изпомпване

Твърдотелните лазери се изпомпват чрез облъчване на работната среда с мощни газоразрядни светкавици, фокусирана слънчева светлина или друг лазер.Това винаги е импулсно изпомпване, тъй като мощността е толкова висока, че работният прът ще се срути при непрекъснато действие.

Течните и газовите лазери се изпомпват с електрически разряд. Химическите лазери предполагат възникване на химични реакции в тяхната активна среда, в резултат на което обърнатата популация от атоми се получава или от продуктите на реакцията, или от специални примеси с подходяща структура на ниво.

Полупроводниковите лазери се изпомпват от ток в посока напред през pn кръстовище или чрез електронен лъч. В допълнение, има такива методи на изпомпване като фотодисоциация или газодинамичен метод (рязко охлаждане на нагрятите газове).

Оптичен резонатор — сърцето на лазера

Оптичният резонатор е система от двойка огледала, в най -простия случай, две огледала (вдлъбнати или успоредни), фиксирани едно срещу друго, а между тях по обща оптична ос има активна среда под формата на кристал или кювета с газ. Фотоните, преминаващи под ъгъл през средата, я напускат отстрани, а тези, които се движат по оста, като се отразяват многократно, се усилват и излизат през полупрозрачно огледало.

Така се получава лазерно лъчение — лъч от кохерентни фотони — строго насочен лъч. По време на едно преминаване на светлина между огледалата, величината на усилването трябва да надвишава определен праг — размера на загубата на радиация през второто огледало (колкото по -добре огледалото пропуска, толкова по -висок трябва да бъде този праг).

За да може усилването на светлината да се извърши ефективно, е необходимо не само да се увеличи пътят на светлината вътре в активната среда, но и да се гарантира, че вълните, напускащи резонатора, са във фаза една с друга, тогава интерфериращите вълни ще дадат максималната възможна амплитуда.

За да се постигне тази цел, е необходимо всяка от вълните в резонатора, връщаща се в точка на изходното огледало и като цяло, във всяка точка в активната среда, да бъде във фаза с първичната вълна след произволен брой перфектни отражения . Това е възможно, когато оптичният път, изминат от вълната между две връщания, отговаря на условието:

където m е цяло число, в този случай фазовата разлика ще бъде кратна на 2P:

Сега, тъй като всяка от вълните се различава по фаза от предишната с 2pi, това означава, че всички вълни, напускащи резонатора, ще бъдат във фаза помежду си, което ще даде смущения с максимална амплитуда. Резонаторът ще има почти монохроматично паралелно излъчване на изхода.

Функционирането на огледалата вътре в резонатора ще осигури усилване на режимите, съответстващи на стоящите вълни вътре в резонатора; други режими (възникващи поради особеностите на реалните условия) ще бъдат отслабени.

Рубинен лазер — първият твърдотел

Първият твърдотел в твърдо състояние е построен през 1960 г. от американския физик Теодор Майман. Това беше рубинен лазер (рубин — Al2O3, където някои от решетъчните места — в рамките на 0,5% — се заменят с тройно йонизиран хром; колкото повече хром, толкова по -тъмен е цветът на рубинения кристал).

Първият успешен работещ лазер, проектиран от д -р Тед Мейман през 1960 г.

Рубинен цилиндър, изработен от най -хомогенен кристал, с диаметър от 4 до 20 мм и дължина от 30 до 200 мм, е поставен между две огледала, направени под формата на слоеве сребро, нанесени върху внимателно полираните краища на този цилиндър. Газова разрядна лампа със спираловидна форма обгръща цилиндър по цялата му дължина и се захранва с високо напрежение през кондензатор.

Когато лампата е включена, рубинът е интензивно облъчен, докато хромовите атоми се движат от ниво 1 до ниво 3 (те са в това възбудено състояние за по -малко от 10-7 секунди), тук се реализират най -вероятните преходи към ниво 2 — към метастабилно ниво. Излишната енергия се прехвърля в кристалната решетка на рубина. Спонтанните преходи от ниво 3 към ниво 1 са незначителни.

Преходът от ниво 2 към ниво 1 е забранен от правилата за подбор, така че продължителността на това ниво е около 10-3 секунди, което е 10 000 пъти по -дълго, отколкото на ниво 3, в резултат на това атомите се натрупват в рубин с ниво 2 — това е обратната популация на ниво 2.

Спонтанно възникващи по време на спонтанни преходи, фотоните могат да причинят принудителни преходи от ниво 2 към ниво 1 и да провокират лавина от вторични фотони, но тези спонтанни преходи са случайни и техните фотони се разпространяват хаотично, оставяйки най -вече резонатора през страничната му стена.

Но тези от фотоните, които удрят оста, претърпяват множество отражения от огледалата, причинявайки едновременно принудителното излъчване на вторични фотони, които отново провокират стимулираното излъчване и т.н. Тези фотони ще се движат в посока, подобна на първичните, и потокът по оста на кристала ще се увеличи като лавина.

Многократно увеличеният поток от фотони ще излезе през страничното полупрозрачно огледало на резонатора под формата на светлинен лъч със строга посока с колосален интензитет. Рубиненият лазер работи при дължина на вълната 694,3 nm, докато мощността на импулса може да бъде до 109 Вт

Неонов лазер с хелий

Хелий-неоновият (хелий / неонов = 10/1) лазер е един от най-популярните газови лазери. Налягането в газовата смес е около 100 Pa. Неонът служи като активен газ, той произвежда фотони с дължина на вълната 632,8 nm в непрекъснат режим. Функцията на хелия е да създаде обратна популация от едно от горните енергийни нива на неона. Ширината на спектъра на такъв лазер е около 5 * 10-3 Hz Кохерентна дължина 6 * 1011 m, време на съгласуваност 2 * 103 ° С.

Когато се изпомпва хелий-неонов лазер, електрически разряд с високо напрежение предизвиква прехода на хелиеви атоми към метастабилно възбудено състояние на нивото Е2. Тези хелиеви атоми се сблъскват нееластично с неонови атоми в основното състояние Е1, прехвърляйки тяхната енергия. Енергията на нивото Е4 за неон е по -висока от нивото на Е2 на хелий с 0,05 eV. Липсата на енергия се компенсира от кинетичната енергия на атомните сблъсъци. В резултат на това на ниво Е4 на неона се получава обърната популация по отношение на нивото Е3.

Видове съвременни лазери

Според състоянието на активната среда лазерите се подразделят на: твърди, течни, газови, полупроводникови, а също и на кристали. По метода на изпомпване те могат да бъдат: оптични, химически, газоразряд. По естеството на поколението лазерите се делят на: непрекъснати и импулсни. Тези видове лазери излъчват лъчение във видимия диапазон на електромагнитния спектър.

Оптичните лазери се появяват по-късно от други. Те са способни да генерират излъчване в близкия инфрачервен диапазон, такова излъчване (при дължина на вълната до 8 микрона) е много подходящо за оптични комуникации. Оптичните лазери съдържат влакно, в сърцевината на което са въведени няколко йона подходящи редкоземни елементи.

Светлинният водач, както и при другите видове лазери, е инсталиран между двойка огледала. За изпомпване лазерното лъчение с необходимата дължина на вълната се подава във влакното, така че йоните на редкоземните елементи преминават в възбудено състояние под неговото действие. Връщайки се в състояние с по -ниско енергийно ниво, тези йони излъчват фотони с по -голяма дължина на вълната от тази на иницииращия лазер.

По този начин влакното действа като източник на лазерна светлина. Честотата му зависи от вида на добавените редкоземни елементи. Самото влакно е направено от флуорид на тежки метали, което води до ефективно генериране на лазерно лъчение при честотата на инфрачервения диапазон.

Рентгеновите лазери заемат противоположната страна на спектъра — между ултравиолетовите и гама — това са порядъци с дължини на вълните от 10-7 до 10-12 м. Лазерите от този тип имат най -високата яркост на импулса от всички видове лазери.

За първи път рентгенов лазер е построен през 1985 г. в САЩ, в лабораторията в Ливърмор. Лорънс. Лазерът, генериран върху селенови йони, обхватът на дължината на вълната е от 18,2 до 26,3 nm, а най -високата яркост пада на линията с дължина на вълната 20,63 nm. Днес лазерното лъчение с дължина на вълната 4,6 nm е постигнато с алуминиеви йони.

Рентгеновият лазер се генерира от импулси с продължителност от 100 ps до 10 ns, което зависи от живота на плазменото образуване.

Факт е, че активната среда на рентгенов лазер е силно йонизирана плазма, която се получава например, когато тънко фолио от итрий и селен се облъчва с лазер с висока мощност на видимия или инфрачервения спектър.

Енергията на рентгеновия лазер в импулс достига 10 mJ, докато ъгловата дивергенция в лъча е приблизително 10 милирадиана. Съотношението на мощността на помпата и директната радиация е около 0,00001.