ЛАЗЕР

(оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл.-магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» — аббревиатура слов англ. выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света вынужденным излучением. Существующие Л. охватывают широкий диапазон длин волн l — от УФ до субмиллиметрового. Первым был рубиновый Л., созданный Т. Мейманом (США) в 1960. Когерентность и направленность — осн. хар-ки излучения Л., вынужденное излучение и обратная связь — гл. процессы, приводящие к генерации. Существуют также Л.-усилители, в к-рых усиление приходящих извне эл.-магн. волн осуществляется при отсутствии обратной связи. В нек-рых лазерных системах вслед за Л.-генератором следует один или неск. Л.-усилителей.

До создания Л. когерентные эл.-магн. волны существовали практически лишь в радиодиапазоне, где они возбуждались генераторами радиоволн. В оптич. диапазоне имелись лишь некогерентные источники, излучение к-рых представляет суперпозицию волн, испускаемых множеством независимых микроскопич. излучателей. В этом случае фаза результирующей волны изменяется хаотически, излучение занимает значит. диапазон l и обычно не имеет определённого направления в пр-ве.

С квант. точки зрения излучение нелазерных источников света складывается из фотонов, испускаемых независимо отд. ч-цами, причём их испускание происходит спонтанно, в произвольных направлениях, в случайные моменты времени, а длина волны, возникающей при сложении множества актов испускания, не имеет точно определённого значения и лежит в пределах, зависящих от разброса индивидуальных св-в излучающих микросистем (см. СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ). Действие Л. основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА).

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ РАЗНЫХ ТИПОВ

Вероятность вынужденного испускания для системы, находящейся в возбуждённом состоянии ?2, пропорц. спектр. плотности излучения r(w) действующей волны и равна вероятности поглощения для системы, находящейся в ниж. состоянии ?1. При термодинамич. равновесии в ансамбле, состоящем из большого кол-ва ч-ц, каждая из к-рых может находиться только, напр., в двух энергетич. состояниях ?1 и ?2, числа ч-ц N1 и N2, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причём N2 < N1. Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает эл.-магнитные волны, хотя для единичного акта вероятность вынужденного испускания фотона равна вероятности его поглощения, полная вероятность поглощения, пропорц. числу N1 ч-ц на ниж. уровне, больше вероятности вынужденного испускания, пропорц. числу N2 ч-ц на верх. уровне. Поглощение может уступить место усилению эл.-магн. волны при её распространении сквозь в-во, если N2 > N1. Такое состояние в-ва наз. инверсным (обращённым), или состоянием с инверсией населённостей, и не является равновесным.

Если через среду с инверсией населённости проходит эл.-магн. волна с частотой w=(?2-?1) ћ, то по мере её распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счёт актов вынужденного испускания, число к-рых N2r превосходит число актов поглощения N1r. Увеличение интенсивности волны (усиление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну (рис. 1). Усиление эл.-магн. волны за счёт вынужденного испускания приводит к экспоненциальному закону роста её интенсивности I по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в в-ве: I = I0exp(az), где I0 — интенсивность входящей волны, a = (N2-N1) — коэфф. квант. усиления, В реальном в-ве наряду с усилением неизбежны потери, связанные с нерезонансным поглощением, рассеянием и т. п. Если ввести для описания суммарных потерь коэфф. потерь b, то I=I0exp((a-b)z).

В-во, приведённое к.-л. образом в инверсное состояние, неизбежно возвратится в равновесное состояние — релаксирует (см. РЕЛАКСАЦИЯ). При этом избыточная энергия выделяется в виде фотонов (излучательные переходы) или переходит в тепловую энергию (б е з ы з л у ч а т е л ь н ы е п е р е х о д ы). Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации явл. сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при b

Рис. 1. Усиление световой волны в активной среде.

Процесс генерации. После того как в активном элементе, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, в нём возникают многочисл. акты люминесценции. Фотоны вызывают в активной среде сверхлюминесценцию. Те фотоны, к-рые были первоначально испущены перпендикулярно оси резонатора, порождают лишь короткие дуги сверхлюминесценции в этих направлениях. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль осп резонатора, многократно отражаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вызывая в нём акты вынужденного испускания (рис. 2). Генерация начинается в том случае, когда увеличение энергии волны за счёт усиления превосходит потери энергии за каждый проход резонатора.

Рис. 2. Активная среда в оптич. резонаторе.

Условия начала генерации (порог генерации) определяются равенством

a0-b0=0,

Где — пороговое значение коэфф. усиления активного элемента, b0 — коэфф. полных потерь эл.-магн. энергии за один проход.

I! начале возникновения генерации . в нём одновременно и независимо усиливается множество волн, порождённых отд. фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. Фазы этих волн независимы между собой, но когерентность каждой из них и их интенсивность постоянно увеличиваются за счёт процессов вынужденного испускания. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между l и размерами резонатора. Во время первого пролёта усиливаются все фотоны, испущенные в результате спонтанных процессов. Однако после отражения от зеркал в преимуществ. положении оказываются лишь те фотоны, для к-рых выполняются условия возникновения стоячих волн. Их длины волн соответствуют нормальным колебаниям резонатора — модам, интенсивность к-рых быстро увеличивается. В наиболее благоприятных условиях оказываются те из мод резонатора, для к-рых l совпадает с вершиной спектр. линии активной среды или расположена вблизи её вершины. Интенсивность таких волн возрастает (вероятность вынужденного испускания пропорц. интенсивности вынуждающей волны) лавинообразно, подавляя усиление волн, удалённых от вершины спектр. линии. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора и содержащее лишь небольшое кол-во мод резонатора (рис. 3).

Рис. 3. Спектр. линия активной среды (линия усиления) и моды оптич. резонатора.

Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к одномодовому режиму генерации, при к-ром в пределах спектр. линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Для этого в резонатор обычно вводят дополнит. селектирующий элемент (призму оптическую, дифракционную решётку, второй резонатор и т. п.), выделяющий одну из мод резонатора и подавляющий остальные. В длинноволновой части ИК диапазона одномодовую генерацию можно получить уменьшением длины резонатора.

Накачка. В зависимости от способа осуществления инверсии населённости можно получить непрерывную и импульсную генерацию. При непрерывной генерации инверсия в активной среде поддерживается длит. время за счёт внеш. источника энергии. Для осуществления импульсной генерации инверсия возбуждается импульсами. При непрерывной генерации лавинообразный рост интенсивности вынужденного излучения ограничивается нелинейными процессами в активном в-ве и мощностью источника накачки. В результате этих ограничений в активном в-ве возникает т. н. насыщение — кол-во актов вынужденного испускания становится равным кол-ву актов поглощения, т. к. число ч-ц на верх. и ниж. энергетич. уровнях выравнивается и рост интенсивности волны прекращается.

Потери энергии в Л. складываются из внутр. потерь (напр., из-за поглощения и рассеяния света в активной среде, зеркалах и др. элементах Л.) и за счёт вывода части генерируемой энергии сквозь зеркала резонатора, одно из к-рых для этого должно быть полупрозрачным (или иметь излучающее отверстие).

Способы достижения и поддержания инверсии в активной среде Л. зависят от её структуры. В тв. телах и жидкостях используется гл. обр. оптич. накачка — освещение активного элемента спец. лампами сфокусированным солнечным излучением или излучением др. Л. (табл.). В этом случае необходимо, чтобы в процессе оптич. накачки участвовало по крайней мере три энергетич. уровня рабочих ч-ц (обычно ионов или молекул). Если роль верх. уровня играет широкая полоса поглощения, это позволяет использовать значит. часть спектра нелазерного источника накачки.

Рис. 4. Возбуждение генерации: а — в трёхуровневой системе; б — в четырёхуровневой системе.

Ниже должен располагаться узкий (метастабильный) уровень (рис. 4, а), время жизни к-рого (ср. время до спонтанного испускания фотона ч-цей, попавшей на этот уровень) велико.

Такая ситуация обеспечивает возможность накопления большого числа ч-ц на метастабильном уровне. Для достижения порога генерации необходимо, чтобы плотность ч-ц на метастабильном уровне превышала их плотность на основном (нижнем) уровне, с к-рого для этого требуется возбудить более 50% ч-ц. Наиболее распространённой трёхуровневой средой для Л. явл. рубин (корунд Аl2O3 с примесью ионов Cr'3+ , (см. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ)).

Значительно легче достигается порог генерации в активных средах, работающих по четырёхуровневой схеме (рис. 4, б). Между метастабильным и осн. уровнями имеется промежуточный — «нижний рабочий уровень», к-рый должен быть расположен настолько выше основного, чтобы в условиях термодинамич. равновесия он был заселён достаточно слабо. При этом порог генерации достигается, когда населённость метастабильного уровня превосходит населённость ниж. рабочего уровня. Т. о., на осн. уровне может оставаться более 50% ч-ц, что существенно снижает требования к источнику накачки. Наиболее эффективным четырёхуровневым ионом явл. трёхвалентный ион неодима Nd3+ , введённый в состав спец. сортов стекла или кристаллов.

Мощные газовые Л. также обычно работают по четырёхуровневой схеме. Для возбуждения газовых лазеров оптич. накачка применяется редко, т. к. для газов существуют более эффективные методы: электрич. разряд, газодинамич. истечение (газодинамический лазер), хим. реакции (химический лазер) и др., обеспечивающие высокие мощности до сотни кВт. Возбуждение полупроводниковых лазеров производят непосредственно пост. током (инжекционные лазеры), пучком эл-нов, оптич. накачкой и др. (табл.).

Режимы генерации. Импульсный режим работы Л. обусловлен обычно импульсным режимом возбуждения, но может быть связан и с условиями генерации. Если не приняты спец. меры, то в режиме импульсного возбуждения возникает т. н. р е ж и м с в о б о д н о й г е н е р а ц и и, при к-ром процесс генерации развивается, как указано выше, а после прекращения импульса возбуждения генерация прекращается. В зависимости от мощности и длительности импульса возбуждения начало генерации запаздывает относительно начала импульса возбуждения, и генерация может пойти на убыль, не достигнув стационарного состояния.

Особый практич. интерес представляет режим т. н. гигантских импульсов, для получения к-рых используется метод м о д у л я ц и и д о б р о т н о с т и р е з о н а т о р а Л. Напр., перед импульсом возбуждения Л. закрывают одно из зеркал резонатора спец. оптическим затвором, нарушая положит. обратную связь. В этих условиях генерация невозможна и включение импульса возбуждения приводит к монотонному нарастанию инверсии в активной среде Л. Величина энергии возбуждения, запасаемая в ед. объёма активной среды, пропорц. плотности активных ч-ц и ограничивается только процессом сверхлюминесценции. Открыв затвор в конце импульса возбуждения, т. е. включая механизм обратной связи, создают условия быстрого развития генерации, к-рая реализуется в виде короткого мощного (гигантского) импульса. Длительность таких импульсов и их энергия зависят от скорости включения затвора и св-в активной среды. Обычные значения: длительность 20—50 нс, энергия — от долей до сотен Дж.

Для получения сверхкоротких мощных лазерных импульсов применяются затворы в виде кювет, наполненных р-ром спец. красителей, быстро (и обратимо) просветляющихся (выцветающих) под влиянием излучения активной среды. Такой затвор, помещённый в резонатор Л., нарушает обратную связь. Импульс возбуждения вызывает накопление энергии в активной среде и возникновение сверхлюминесценции. Интенсивность хаотич. импульсов сверхлюминесценции быстро возрастает. Когда один из них окажется достаточно мощным, чтобы вызвать просветление затвора, возникает лавинообразное развитие генерации. При этом фазы генерации всех мод резонатора оказываются взаимно связанными так, что все генерируемые волны складываются, образуя сверхкороткий импульс, длительность к-рого может составлять всего единицы и даже доли нс. Энергия, забираемая таким импульсом из активной среды, обычно составляет лишь малую долю запасённой в среде энергии, поэтому первый импульс, отразившись от зеркал резонатора, многократно пробегает между ними, образуя последовательность сверхкоротких импульсов, следующих один за другим через время, определяемое размерами резонатора (временем двойного пробега светового импульса между зеркалами). Применяя дополнит. устройства, удаётся выделить один из сверхкоротких импульсов.

Применения лазеров многообразны. Способность Л. концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектр. интервале может быть использована двояко: 1) нерезонансное вз-ствие мощных световых потоков с в-вом в непрерывном и импульсном режимах (лазерная технология, лазерный термоядерный синтез и др.); 2) селективное воздействие на атомы, ионы, молекулы и мол. комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохим. реакции (см. ЛАЗЕРНАЯ ХИМИЯ, ЛАЗЕРНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ). Для лазерного способа ввода энергии в в-во характерны точная локализация, дозированность и стерильность. Технологич. процессы (сварка, резка и плавление металлов) осуществляются гл. обр. газовыми Л., обладающими высокой ср. мощностью. В металлургии Л. позволяет получить сверхчистые металлы, выплавляемые в вакууме или в контролируемой газовой среде. Для точечной сварки используются и твердотельные Л. Сверхкороткие импульсы применяются для изучения быстропротекающих процессов, сверхскоростной фотографии н т. п. Сверхстабильные Л. явл. основой оптич. стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и др. точных физ. приборов. Л. с перестраиваемой частотой (напр., Лазеры на красителях) произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отд. атомов (см. ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ).

Л. применяются в медицине как бескровные скальпели, при лечении глазных и кожных заболеваний и др. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на разл. высотах, определять скорость возд. течений, темп-ру и состав атмосферы. Лазерная локация планет уточнила значение астрономич. постоянной и способствовала уточнению систем косм. навигации, расширила знания об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазерная локация существенно уточнила хар-ки движения Луны и планеты Венера по сравнению с астрономич. данными (см. ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ).

С появлением Л. связано рождение таких новых разделов физики, как нелинейная оптика и голография. Проблему управляемого термоядерного синтеза пытаются решить путём использования Л. для нагрева плазмы.