Реферат: Лазер

,источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного иультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов имолекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слованглийской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», чтоозначает «усиление света в результате вынужденного излучения». В советскойлитературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).Создание Л. (1960) и несколько ранее мазеров (1955) послужило основой развитиянового направления в физике и технике, называется квантовой электроникой. В1964 советским физикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч.Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премияпо физике.

/>Лазер — источниксвета. По сравнению с другими источниками света Л. обладает рядомуникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью егоизлучения. Излучение «нелазерных» источников света не имеет этих особенностей.Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т.Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютночёрного тела, W = 5,7×10-12×T4вт/см2. Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и длявысоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см2поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W =6,4×103 вт. Однако излучение теплового источникараспространяется по всем направлениям от источника, т. е. заполняет телесныйугол 2p рад. Формирование направленного пучка от такого источника,осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих излинз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическаясистема не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучениябольшую, чем в самом источнике света.

Излучение теплового источника, кроме того,немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн (рис. 1).Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый иинфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излученияприменяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительноузкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления,дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии.Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышатьинтенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равнатемпературе возбуждения атомов и молекул (рис. 1). Т. о., в обоихслучаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии.Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

/>

Рис. 1.

Иная картина имеет место в радиодиапазоне.Источники радиоволн способны формировать направленное и монохроматическоеизлучение большой мощности. Различие между источниками радиоволн идолазерными источниками света носит принципиальный характер. Антенны —излучатели радиоволн, питаемые от общего генератора электрических колебаний,можно возбудить когерентно. Элементарными излучателями световых волн являютсяатомы и молекулы. Излучение любого источника света представляет собой суммарныйэффект излучения громадной совокупности атомов и молекул, причём все ониизлучают совершенно независимо друг от друга — некогерентно. Некогерентностьизлучения атомов связана с независимостью, случайностью элементарных актоввозбуждения атомов и их хаотичным распределением в пространстве. Основнойпричиной возбуждения атомов в нагретых телах и в газовом разряде являютсястолкновения. Моменты столкновений случайным образом распределены во времени,что и приводит к хаотичному распределению фаз волн, излучаемых отдельнымиатомами, т. е. к некогерентности их излучения.

Задача создания источника когерентного света быларешена лишь с появлением Л., в котором используется принципиально иной методвысвечивания возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентныйхарактер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с оченьмалой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с интенсивностьюизлучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, тополучаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающиереально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малаярасходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических системконцентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадныеплотности энергии. Когерентность и направленность излучения открываютпринципиально новые возможности использования световых пучков там, гденелазерные источники света неприменимы.

/>Принцип работы лазера.Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащихуровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны,излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанныхпереходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно.Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода.При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующейразности каких-либо двух энергетических уровней E1, E2атомов или молекул среды (hn = E2 — E1, где h— постоянная Планка), к спонтанному испусканию частиц добавляются др.радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E1,в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровеньE2 (рис. 2, а). Число таких переходовпропорционально r (n) N1, где r (n)— спектральная плотность излучения в эрг/см3, N1— концентрация атомов, находящихся на уровне E1 (населённостьуровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E2,под действием квантовhn вынужденно переходят на уровень E1(рис. 2, б). Число таких переходов пропорционально r(n)N2, где N2 — концентрация атомовна уровне E2. В результате переходов E1 →E2 волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E2→ E1 световая волна усиливается. Результирующее изменениеэнергии световой волны определяется разностью (N2 — N1).В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N1всегда больше населённости верхнего N2. Поэтому волна теряетбольше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако внекоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия,когда возникает инверсия населённостей уровней E1 и E2,при которой N2 > N1. При этом вынужденныепереходы E2 → E1 преобладают и поставляют всветовую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E1→ E2. Световая волна в этом случае не ослабляется, аусиливается.

/>

Рис. 2

Излучаемые атомами в результате вынужденныхпереходов E2 → E1 волны по частоте n,направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и,следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образомпроисходило возбуждение атомов на уровень E2. Именнокогерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в средес инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн.Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E1, E2,способную усиливать излучение частоты n = (E2 — E1)/h,обычно называют активной.

/>

Рис. 3: Усиление световой волныатомами активной среды

Спонтанное излучение одного из возбуждённыхатомов активной среды (т. е. атома, находящегося на уровне E2),прежде чем оно выйдет из объёма V, может вызвать вынужденные переходы др.возбуждённых атомов и вследствие этого усилится (рис. 3).Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. отнаправления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор,т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися наопределённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри — Перо (рис.4), то в наиболее благоприятные условия попадает волна,распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала,отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затемотразится от второго зеркала и т.д. При каждом «проходе» интенсивность волныувеличивается в ekL раз, где k — коэффициент усиленияв см-1, L — длина пути волны в активной среде. Еслиусиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, тос каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергииr (n) в волне не достигнет некоторого предельного значения. Рост r(n) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходовэнергия, пропорциональная r (n), не может компенсироватьсяэнергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркаламиустанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружупоток когерентного излучения.

/>

Рис. 4:Активная среда в интерферометре Фабри — Перо

Интерферометр Фабри — Перо, заполненный активнойсредой с достаточно большим коэффициентом усиления, представляет собойпростейший Л. В Л. используются оптические резонаторы и др. типов — с плоскимизеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытыйрезонатор). В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь вЛ., могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебанийэлектромагнитного поля, называются собственными колебаниями или модамирезонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственнымраспределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами (рис. 4)преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам,распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получатьизлучение высокой направленности. Телесный угол DW, в котором сосредоточенпоток излучения, может быть сделан />, где D — диаметрзеркал. Для l » 1 мкм и D = 1 см величина /> » 10-8(для тепловых источников DW ~ 2p).

Оптический резонатор накладывает ограничения наспектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нёмвозбуждаются волны с частотами />, где с — скоростьсвета, n — целое число. В результате спектр излучения Л., как правило,представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которымиодинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине Lзависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения наиспользуемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен (рис.5). При определённых условиях оказывается возможным выделить однуспектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации.Спектральная ширина каждой из компонент dnл определяется потерямиэнергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением светазеркалами. Так как величина dnл может быть сделана во много разменьше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л.в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.

/>
Рис. 5: Моды оптического резонатора

Существующие Л. различаются:

1)  способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят,способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом,химическая накачка и т.п.

2)  рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости);

3)  конструкцией резонатора;

4)  режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяютсяпотребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования кхарактеристикам Л.

/>Методы созданияинверсии населённости. Для создания активной Среды необходимо избирательноевозбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного илинескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методовявляется метод оптической накачки, который был использован в первом Л. нарубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3с примесью (~ 0,05%) ионов Cr3+, замещающих атомы Al. Уровниэнергии иона Cr3+ в рубине показаны на рис. 6.Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводитионы Cr3+ с основного уровня E1 на возбуждённыеуровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время(~ 10-8сек) осуществляется безызлучательный переход этихионов на уровни E2 и />. Избыток энергии приэтом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr3+на уровнях E2 и />составляет 10-3сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются наосновной уровень E1. Переходам E2→E1 и />E1соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристаллрубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синейи зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr3+на уровнях E2 и />и возникает инверсиянаселённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E1. Этопозволило создать Л., работающий на переходах E2→E/>E1, генерирующий свет с длиной волны l » 0,7 мкм.

/>

Рис. 6:Уровни энергии кристалла рубина (структура)

Для создания инверсии населённостей уровней E2,/>относительноE1 необходимо перевести больше половины ионов Cr3+на уровни E2, />за время, не превышающее10-3сек. Это предъявляет большие требования к мощностиисточника накачки. В качестве таких источников используются импульсныексеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3сек.За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в несколькодж.

Метод оптической накачки обладает несколькимипреимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большойконцентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот методвозбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только тачасть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионовCr3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности ипоглощается относительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной вединицу объёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на созданиеинверсной населённостей уровней, в основном определяется особенностямииспользуемой системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму.В рубине теряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждениесобственных колебаний кристаллической решётки в результате безызлучательныхпереходов (рис. 6, волнистые стрелки). Уменьшение паразитныхпотерь энергии существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельнаяэнергия импульса генерации в твердотельных Л. достигает нескольких дж откаждого см3 вещества. Примерно столько же энергии остаётся врабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давлении энергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большойтеплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3даёт нагрев надесятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд.Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки влучшем случае не превышает нескольких % из-за неполного использования спектраламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрическойэнергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил метод созданияактивной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах.Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большойэнергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсиюнаселённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этотметод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различныеатомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрическихразрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие винфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того,возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режимработы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергиюизлучения Л.

В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывногодействия на смеси молекулярных газов CO2 и N2 (сдобавлением ряда др. компонентов) механизм образования инверсии населённостейсостоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическимполем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем врезультате столкновений возбуждённых молекул N2 с молекулами CO2происходит заселение одного из колебательных уровней CO2, что иобеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процессаоказываются очень эффективными, и кпд достигает 20—30%.

В дальнейшем оказалось возможным создатьгазодинамический лазер на смеси CO2 и N2, в которомгазовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К, формируетсясверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстроохлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостейрабочих уровней CO2. Кпд преобразования тепловой энергии визлучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л.весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задачасоздания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использованиитепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случаеэлектроразрядных Л. При сжигании 1 г  топлива (например, керосина)выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическаяэнергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, — порядка 0,1 джна 1 см3 объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являютсяисключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственноеиспользование энергии химических связей для возбуждения частиц, т. е. созданиеактивной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачкиявляется реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, товозникает цепная реакция F + H2 → HF + H, H + F2 →HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции,находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняютсяусловия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO2,то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создатьЛ. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательновозбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 вгазоразрядных лазерах на CO2. Более эффективной в этом случаеоказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смесикоэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излученияможет достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и внепрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числесходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалосьвозможным создавать различными способами:

1)   инжекциейносителей тока через электронно-дырочный переход;

2)   возбуждениемэлектронным ударом;

3)   оптическимвозбуждением

/>Твердотельные лазеры.Существует большое количество твердотельных Л., как импульсных, так инепрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили Л. на рубинеи неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый Л. работает на длиневолны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большиеи достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром4—5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией1000 дж за время ~ 10-3сек.

Л. на рубине, наряду с Л. на неодимовом стекле,являются наиболее мощными импульсными Л. Полная энергия импульса генерациидостигает сотен дж при длительности импульса 10-3сек.Оказалось также возможным реализовать режим генерации импульсов с большойчастотой повторения (до нескольких кгц).

Примером твердотельных Л. непрерывного действияявляются Л. на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и Л. наиттриево-алюминиевом гранате Y3Al5O12 спримесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких Л. работает вобласти длин волн l от 1 до 3 мкм. Возможность реализации непрерывногорежима в этих Л. обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего переходаявляется не основной уровень E1, а возбуждённый уровень E2(рис. 7). Если уровень E2 достаточно далекоотстоит по энергии от основного уровня E1 (по сравнению с кТ,где к — постоянная Больцмана, Т — температура) и характеризуетсядостаточно малым временем жизни, то инверсия населённостей для уровней E2,E3 может быть создана с помощью сравнительно маломощныхисточников оптической накачки. У некоторых из таких Л. генерация осуществленапри накачке солнечным светом. Типичное значение мощности генерациитвердотельных Л. в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для Л.на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт. Если не приниматьспециальных мер, то спектр генерации твердотельных Л. сравнительно широк, т.к.обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в оптическийрезонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Какправило, это связано со значительным уменьшением генерируемой мощности.

/>

Рис. 7: Уровни активной cредытвердотельного лазера непрерывного действия (схема)

Трудности выращивания больших монокристаллов иливарки больших образцов однородного и прозрачного стекла привели к созданиюжидкостных Л., в которых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не вкристаллы, а в жидкость. Однако жидкостные Л. имеют недостатки и поэтомуприменяются не столь широко, как твердотельные Л

/>Генерация коротких исверхкоротких импульсов. Если для накачки твердотельного Л. используетсялампа-вспышка с длительностью импульса Dtn ~ 10-3сек,то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздываниеначала генерации по сравнению с лампой-вспышкой обусловлено тем, что дляразвития генерации необходимо превысить некоторое пороговое значение инверсиинаселённостей, после чего усиление за один проход рабочего объёма начинаетпревышать суммарные потери энергии за счёт отражения луча от зеркал резонатора,паразитного поглощения и рассеяния света. При достаточно больших мощностяхнакачки порог генерации достигается за время t << tн. Такойрежим работы Л., когда длительность лазерного импульса Dtл » Dtн,наз. режимом свободной генерации. Для ряда применений важно сократитьдлительность импульса Dtл, т.к. при заданной энергии импульсапиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С этой цельюразработан метод модулированной добротности (модулируется добротностьрезонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическуюнакачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют,например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При закрытом затворегенерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающегоколичества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то всязапасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в видекороткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса Dtлопределяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточновелика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.

Применяются различные типы оптических затворов:механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса, управляемыеэлектрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получаютимпульсы длительностью Dtл ~ 10-7 — 10-8сек.Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказываетсяменьшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощностиза счёт уменьшения Dtл достигает нескольких порядков.

Новые возможности сокращения длительностиимпульса Л. открыло применение в качестве затворов просветляющихся фильтров.Таким фильтром обычно служит слабый раствор красителя, причём концентрацияпоглощающей компоненты подбирается таким образом, чтобы при достаточно большойинтенсивности света достигалось насыщение, при этом раствор становитсяпрозрачным (просветляется). Введение в резонатор такого фильтра повышает пороггенерации: при включении накачки в рабочем объёме начинают накапливатьсявозбуждённые частицы; растет также и интенсивность их спонтанного излучения.Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход рабочего объёма)меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. Нокак только достигается уровень просветления, затвор автоматически выключается,и уже ничто не препятствует развитию генерации. Применение просветляющихсяфильтров позволило получить гигантские импульсы света длительностью до 10-9сек, с энергией ~ десятков дж, что соответствует мощности ~ 1010вт.

Если обеспечивается одномодовой режим генерации,то наблюдается единый, не имеющий структуры гигантский импульс. В остальныхслучаях гигантские импульсы имеют сложную структуру. Например, для неодимовогоЛ. они представляют собой последовательность значительно более короткихимпульсов длительностями ~ 10-11—10-12сек.Происхождение этой структуры объясняется следующим образом: спонтанноеизлучение атомов Nd в стекле характеризуется довольно широким спектром Dn ~ 1012гц (Dl ~ 100/>), т. е. представляет собойсумму большого числа монохроматических колебаний с частотами в интервале Dn ипроизвольными фазами. Поэтому интенсивность излучения изменяется во временислучайным образом (рис. 8), причём характерный временной масштабвсей этой картины, т. е. длительность типичных всплесков интенсивности, имеетпорядок величины />. Оказалось, что с помощьювведения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийсяфильтр, можно сфазировать моды лазера. В идеальном случае, когда сфазированывсе моды, излучение лазера приобретает вид регулярной последовательностиимпульсов с длительностью />. Интервалы между импульсамиопределяются длиной резонатора, т. е. равны периоду 2L/c. Подобный методполучения сверхкоротких и исключительно мощных импульсов получил названиеметода самосинхронизации мод. Практически сфазировать все моды лазера довольнотрудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картинаформирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формированиясверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерноследующим образом: на начальной стадии развития генерации излучениепредставляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивностьсоответствует горизонтальной прямой (рис. 8), то фильтр будетвыключаться теми пучками, интенсивность которых больше просветляющей. Послепрохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать.Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случаедостаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пикафильтр пропустит ещё несколько последующих более слабых пиков.

/>

Рис. 8: Интенсивностьизлучения в зависимости от времени (лазер)

Просветляющийся фильтр можно подобрать так, чтоон будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Этопозволяет, используя некоторые дополнительные устройства, выделять отдельныесверхкороткие импульсы генерации (рис. 9). Энергия каждого изтаких импульсов, как правило, невелика, однако её можно значительно увеличить,если усилить первоначальный импульс с помощью второго Л. или нескольких Л.,работающих в режиме усиления и отличающихся от Л. в режиме генерацииотсутствием зеркал или каких-либо др. отражающих элементов, образующихрезонатор. Все возможные причины отражений устраняются выбором соответствующейконструкции. Техника формирования сверхкоротких импульсов и их последующееусиление позволяют получить импульсы генерации длительностью ~ 10-11— 10-12сек и пиковой мощностью ~ 1012 — 1013вт.

/>

Рис. 9

Можно ожидать от Л. на неодимовом стекледальнейшего сокращения импульсов, по крайней мере в несколько раз. Однакоизмерение длительности столь малых временных интервалов затруднительно.Мощность ограничивается прочностью самих лазерных материалов и достигает 1012—1013вт. Это значительно превышает мощности крупнейших современныхэлектростанций. Развитие методов формирования коротких и сверхкороткихимпульсов открыло новый класс оптических явлений, таких, как самофокусировкасвета, вынужденное рассеяние света, параметрическое преобразование частотысвета, смешение частот и т.п. Все эти явления и их применения составляютсодержание нелинейной оптики.

/>Газовые лазеры.Основным достоинством газов как активной среды Л. является высокая оптическаяоднородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которыхпрежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичностьизлучения, газовые Л. представляют наибольший интерес. Вслед за первым газовымЛ. на смеси гелия и неона (1960) было создано большое количество разнообразныхгазовых Л., в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов,молекул и ионов, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиолетовой до далёкойинфракрасной частей спектра. Так, Л. на водороде работает на длине волны l =0,17 мкм, Л. на ионах Ne3+ и Ne2+ работают на длиневолны l = 0,2358 мкм и l = 0,3324 мкм, а Л. на молекулах воды H2O —на длинах волн l = 27,9 мкм и l = 118,6 мкм.

Среди Л. непрерывного действия видимой и ближнейинфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелий-неоновыйЛ. Этот Л. представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразряднуютрубку, заполненную смесью Не и Ne. Он генерирует излучение с l = 0,6328 мкм,т. е. в красной области спектра. Типичные размеры трубки: длина несколькодесятков см или 1—2 м; диаметр несколько мм. Мощность генерации обычносоставляет десятки мвт. Гелий-неоновый Л. может работать также на целом рядепереходов в ближней инфракрасной области, например на длинах волн l = 1,152 мкми l = 3,39 мкм. В Л. сравнительно просто реализуется предельно малая, т. е.дифракционная расходимость светового пучка.

Наиболее мощным Л. непрерывного действия ввидимой области спектра является аргоновый Л. В нём используется электрическийразряд в Ar с большой плотностью тока (до нескольких тысяч а/см2).Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра:l = 0,4880 мкм и l = 0,5145 мкм. Мощность генерации составляет десятки вт.Конструктивно аргоновый Л. значительно сложнее гелий-неонового (необходимыохлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным газовым Л. является Л. на CO2(l = 1,06 мкм). При непрерывном режиме работы СО2-Л. достигаетсямощность в десятки квт.

Создано также большое число импульсных газовыхЛ., работающих, как правило, в переходном режиме формирования разряда.Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительностью ~ 10-9сек) дают сравнительно высокие пиковые мощности ~ 10 квт. СО3-Л.также может работать в импульсном режиме, обеспечивая мощность 1010вт.

Газовые Л. способны обеспечить значительно болеевысокую монохроматичность излучения, нежели Л. всех др. типов. Однако на путиповышения монохроматичности и стабильности частоты излучения Л. возникает целыйряд трудностей как технического, так и принципиального характера. Различныепомехи, приводящие к «качанию» частоты Л., можно разделить на два класса:технические, влияющие на собственные частоты резонатора, и физические,сказывающиеся на частоте рабочего перехода. К первым можно отнести дрожаниезеркал резонатора, изменение его длины вследствие теплового расширения и т.п.Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей, флуктуациисвойств активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства изэтих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например, разрабатываютсяспециальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующиемагнитострикционные явления, пьезоэффект и т.п. В основе этих методов лежитследящая система, которая фиксирует изменение параметров резонаторовиобеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором,лимитирующим стабильность частоты Л., являются флуктуации давления в рабочемобъёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, т.к. столкновения атомови молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий,пропорциональным давлению. Флуктуации давления приводят к флуктуациям частотырабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находиться привозможно более низком давлении. С другой стороны, понижение давления приводит куменьшению коэффициента усиления среды. Это противоречие частично удаётсяразрешить методом стабилизации частоты излучения Л. с помощью поглощающейячейки, помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющийспектральную линию поглощения, перекрывающую линию, соответствующую рабочемупереходу активной среды. Например, у гелий-неонового Л. для линии l = 3,39 мкмтаким газом является метан CH4. Оказалось возможным стабилизироватьчастоту излучения Л. по частоте линии поглощения метана, причём в условиях,когда давление поглощающего газа значительно меньше активного. С помощьюпоглощающей ячейки достигнута относительная стабильность частоты излучения /> ~ 10-13— 10-14

/>Полупроводниковыелазеры. Среди Л. видимого и инфракрасного диапазонов полупроводниковые Л.занимают особое положение по ряду своих характеристик. В полупроводникахудаётся получить очень большие коэффициенты усиления ~ 102 — 103см-1, поэтому размеры полупроводникового Л. могут быть сделаны оченьмалыми — порядка долей мм. Л. на полупроводниках GaAs, CdS, InAs, InSb, ZnS идр. позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны.Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким кпдпреобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) имогут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигаетсямощность ~ 10 вт, при температуре жидкого азота 4—5 вт. Особенно перспективныеинжекционные Л. на гетеропереходах, которые работают в непрерывном режиме прикомнатной температуре, создавая мощность ~5×10-2 вт при кпд до25%.

В полупроводниковых Л. с возбуждением электроннымпучком можно возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекциичерез р — n-переходы. Пиковая мощность при этом доходит до 1 Мвт при среднеймощности ~ 1 вт. Кпд при электронном возбуждении не может превышать 30%.

Общим недостатком всех полупроводниковых Л.является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малымиразмерами, и трудность получения высокой монохроматичности. Последнее связано сбольшой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые Л. используются с наибольшейэффективностью в тех случаях, когда требования к когерентности и направленностине очень велики, но необходимы малые габариты и высокий кпд. ПолупроводниковыеЛ. превосходят Л. всех остальных типов плотностью энергии излучения и величинойкпд. Важным качеством полупроводниковых Л. является возможность перестройкичастоты излучения и управления световым пучком, т. е. модуляция интенсивностисвета с постоянной времени ~ 10-11 сек.

/>Применение лазеров.Одновременно с созданием первых Л. начали развиваться различные направления ихприменений. Создание Л. ликвидировало качественное отличие оптики отрадиоэлектроники. Т. о., все радиотехнические методы принципиально могут бытьосуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерногоизлучения открывает ряд дополнительных перспектив. Л. большой мощностипозволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большойинтенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. Висследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительнорасширили возможности экспериментальной техники, в частности позволилиисследовать свойства жидкого и твёрдого гелия (затухания второго звука,связанные состояния двух ротонов в жидком гелии и т.п.), провести первыеисследования кинетики движения некоторых биологических объектов, напримерпростейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучатьчрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах свременем релаксации ~ 10-13 сек. Возможность формироватьсверхкороткие импульсы света 10-11 — 10-12 сек имееттакже очень важное значение для скоростной фотографии и ряда др. методовисследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-неонового Л.,обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единогооптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измеренияабсолютного значения частоты гелий-неонового Л. (3,32 мкм) эта частота послепреобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 1012гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с =2,99792456,2 + 1,1 м/сек

Исключительно высокая эффективная температураизлучения Л. и возможность концентрировать энергию в ничтожно малом объёме открылиуникальные возможности испарения и нагрева вещества. Важнейшей задачей являетсянагрев плазмы до температур, достаточных для осуществления термоядерныхреакций, т. е. получения термоядерной плазмы. Достигнуты температуры20×106 К. В тех же условиях эксперимента, при соответствующемподборе химического состава испаряемой мишени, удаётся получить точечныйисточник рентгеновского излучения высокой интенсивности (мощностью ~109вт при длительности импульса в несколько нсек). Существует возможность созданияинтенсивных точечных источников нейтронов. Нагрев плазмы лазерным лучомоказался эффективным методом получения многозарядных ионов различных элементов.Впервые в лабораторных условиях получены и исследованы спектры рядамногозарядных ионов, представляющих интерес для астрофизики.

Мощные Л. начали применяться и в технологии. С ихпомощью возможны сварка, закалка, резка и сверление различных материалов безвозникновения в них механических напряжений, неизбежных при обычной обработке,и с очень большой точностью, вплоть до нескольких длин волн. Обрабатываютсяматериалы любой твёрдости, металлы, алмазы, рубины и т.п. Л. начинаютприменяться при резке газовых труб и т.п.

Большие возможности открываются перед лазернойтехникой в биологии и медицине. Лазерный луч применяется не только в хирургии(например, при операциях на сетчатке глаза) как скальпель, но и в терапии.

Интенсивно развиваются методы лазерной локации исвязи. Локация Луны с помощью рубиновых Л. и спец. уголковых отражателей,доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерения расстояний Земля —Луна до нескольких см. Полная затрата энергии при этом порядка энергии,выделяющейся при сгорании десятка спичек. С помощью полупроводникового Л.осуществлена связь со спутником. Разрабатываются лазерные методы геодезическихизмерений и регистрации сейсмических явлений. Созданы и используются лазерныегироскопы и дальномеры.

Большое внимание уделяется созданию Л. сперестраиваемой частотой. Существуют различные типы параметрических генераторовсвета: Л. на вынужденном рассеянии света и полупроводниковые Л., работающие водномодовом режиме. В результате перекрыт практически весь диапазон от l = 1 ммдо видимой области, причём обеспечивается разрешение 10-2—10-3см-1. Широкое применение подобных Л. в спектроскопии позволит вомногих случаях исключить необходимость в монохроматорах, спектрографахи т.п. Особенно большое значение лазерная спектроскопия должна иметь дляисследования короткоживущих продуктов, исследования химических реакций,биологических превращений и т.п.

Получены обнадёживающие результаты в направленномстимулировании химических реакций. С помощью Л. можно селективно возбуждатьодно из собственных колебаний молекулы. Оказалось, что при этом молекулыспособны вступать в реакции, которые нельзя или затруднительно стимулироватьобычным нагревом. Для реализации всех имеющихся здесь возможностей необходимымощные Л. с перестраиваемой частотой в ближней инфракрасной области спектра.

Новые методы получения инверсии населённости(разряд с принудительной ионизацией) позволили поднять давление в активнойсреде молекулярных газовых Л. до 10—20 am. При таких давленияхколебательно-вращательные уровни молекул перекрываются вследствие столкновений,что открывает новые возможности перестройки частоты Л.

С помощью лазерной техники интенсивноразрабатываются оптические методы обработки передачи и хранения информации, методыголографической записи информации, цветное проекционное телевидение.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике