Физические основы усиления и генерации лазерного излучения

 

Лазер – генератор излучения, когерентного во времени и в пространстве, основанный на использовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находящийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энергетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систему излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужденного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее [22]. Предварительно за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) Е_н часть элек­тронов с нижних равновесных уровней Е₁ переходит на бо­лее высокие уровни, а затем оказывается на уровне возбуж­дения Е₂ (в соответствии с рис. 4.1).

Рис. 4.1. Квантовые переходы в лазерном веществе

 

Возвращение этих электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ сопровождается испусканием фотонов с длиной волны

l=1,24/(Е₂ – Е₁), (4.1)

где l — выражается в мкм; Е — в эВ.

Процесс перехода электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ может проходить по-разному. Возможен спонтанный пе­реход, при котором момент испускания и направление век­тора поляризации каждого фотона случайны, а результи­рующий поток излучения опи­сывается лишь среднестатисти­ческими параметрами (перехо­ды 1—3 на рис. 4.1). Такой процесс перехода излучающих атомов из возбужденного со­стояния в равновесное не свя­зан с вынуждающими фотона­ми и приводит к возникнове­нию лишь некогерентного из­лучения.

Одновременно со спонтан­ными переходами имеется ве­роятность вынужденных пере­ходов из энергетического со­стояния Е₂ в Е₁ (переходы 4, 5 на рис. 5.1). Такие переходы связаны с действием вы­нужденных фотонов, при этом все активные атомы излуча­ют почти одновременно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Та­ким образом, вынужденное излучение – это когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вы­нужденных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждающим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии, используемые при усилении или генериро­вании лазерного излучения, называют лазерными уровня­ми. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или зонами – это лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными переходами (из состоя­ния Е₂ в состояние Е₁ – переходы 4, 5 на рис. 4.1) суще­ствуют спонтанные переходы из Е₂ в Е₁ (1-3 на рис. 4.1), а также переходы из Е₁ в более высокое энергетическое состояние, приводящие к поглощению излучения (переход 6 на рис. 4.1).

Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем число спонтанных перехо­дов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излучения. Количество лазерных переходов за время Dt можно в первом приближении выразить в виде

N_лаз=В₂₁Е_вынN₂Dt, (4.2)

где В₂₁ - вероятность лазерного перехода;

Е_вын - энергия вынуждающего излучения;

N₂ - концентрация атомов в энергетическом состоянии Е₂.

Спонтанные переходы из Е₂ в Е₁ происходят самопро­извольно (т.е. от вынуждающего излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участву­ют. Количество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде

N_спон= - А₂₁N₂Dt, (4.3)

где А₂₁ — вероятность спонтанного перехода Е₂® Е₁.

Количество квантовых переходов, приводящих к погло­щению вынуждающего излучения, определяется выраже­нием

N_погл= -В₁₂Е_вынN₁Dt, (4.4)

где В₁₂ — вероятность квантового перехода с поглощением излучения;

N₁ - концентрация атомов в энергетическом со­стоянии Е₁.

Полагая в первом приближении равенство вероятностей B₂₁=B₁₂=B, получаем условие лазерного усиления в виде

В(N₂-N₁)Е_вын-А₂₁N₂>0. (4.5)

При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления имеет вид В Е_вын(N₂-N₁) >0 или DN=(N₂-N₁) >0.

В равновесном состоянии системы всегда N₂> N₁ и ла­зерное усиление возможно только в результате предварительных внешних воздействий (накачки), таких, как инжекция носителей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.

Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по мере распространения в ла­зерном веществе приобретает энергии за счет лазерных переходов больше, чем отдает из-за поглощения.

Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного перехода В₂₁ и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных пе­реходов в полупроводниках и большая плотность энергети­ческих состояний в зонах позволяют получить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных (на основе твердых диэлектриков с при­месями) и в газовых лазерах используются переходы в изо­лированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в них заметно ниже, чем в по­лупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.

Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понима­ют число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана

N₂/N₁=exp[-(Е₂-Е₁)/KT], (4.6)

где N₂ – населенность возбужденными атомами (в состоянии Е₂);

N₁ – населенность невозбужденными атомами (в состоянии Е₁).

При этом DN= N₂- N₁= N₁ отрицательна, и в веществе имеем нормальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно,

Когда DN >0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия, населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбуж­денных атомов.

Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.

Таким образом, усиление вынужденного излучения или лазерное усиление и требует, во-первых, инверсия населенностей (N₂>N₁), во-вторых, подавление спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.

 

Структурная схема лазера

 

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением [23]. К таким дополнительным элементам можно отнести (в соответствии с рис. 4.2) систему охлаждения активного элемента и систему накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство контроля параметров излучения и др. В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обязательным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров, температура активного вещества играет важную роль в достижении инверсии населенностей. В некоторых активных веществах инверсию можно получить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного вещества накачки.

Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести поло­жительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая пере­дается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи об­ратной связи.

В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными.

Рис. 4.2. Структурная схема лазера

 

В общем случае оптиче­ский резонатор – это система отражающих, преломляю­щих, фокусирующих и других оптических элементов, в про­странстве между которыми могут возбуждаться волны оп­тического диапазона.

Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для са­могенерации излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии на­качки много больше энергии лазерного излучения, т. е. лазер – не экономичный генератор. Но по своим качест­венным показателям лазерное излучение уникально. Пер­вое важнейшее свойство лазерного излучения состоит в его направленности, которая связана с пространственной ко­герентностью: лазерное излучение распространяется в виде почти плоской волны, расходимость которой близка к ми­нимально предельной дифракционной расходимости. Та­кую пространственно-когерентную волну легко сфокусиро­вать на площадку размером около l²_лаз (l_лаз - длина вол­ны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс, т. е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны l_лаз = 0,69 мкм, то интенсив­ность излучения в фокусе может достигать значения 1кВт/l_лаз»10¹¹ Вт/см².

Лазерное излучение высокомонохроматично, так как лазер генерирует когерентные оптические колебания на ча­стоте максимального усиления и минимальных потерь из­лучения в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное излучение, т.е. в предельно высококачественную форму энергии, или, ис­пользуя термины термодинамики, можно сказать следующее: энергия накачки, имеющая низкую температуру и вы­сокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с ис­ключительно высокой эквивалентной температурой и предельно низкой энтропией.

Лазер является генератором электромагнитного излу­чения оптического диапазона, поэтому должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.

В зависимости от вида подводимой энергии накачки раз­личают следующие виды накачки лазера:

· оптическая накачка – возбуждение лазера оптиче­ским излучением; она может быть ламповой: источник на­качки – лампа, диодной: источник накачки - излучающий диод, лазерной – лазер - и т. д.;

· электрическая накачка – накачка лазера электриче­ской энергией (в частности, к этому виду накачки относится накачка полупроводниковых инжекционных лазеров);

· электронная накачка – накачка лазера электронным пучком;

· химическая накачка – накачка, вызываемая химиче­скими реакциями в лазерном веществе.

Лазерный пучок – это не просто поток энергии, как, например, пу­чок света, это поток энергии очень высокого качества, поток исключи­тельно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого тесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену - КПД лазеров порядка десяти про­центов, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить примерно десять джоулей энергии накачки. Но при этом плотность энер­гии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 10¹ Дж/см³).

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора к хорошо описывается экспонентой с положительным показателем

Е(x)=Е(0) exp[(k_л - k_п)x], (4.7)

где Е (x) - энергия излучения вдоль оси x;

Е (0) - энергия излучения при x=0;

L _л - линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси x), значение которого пропорционально энергии накачки;

L _п - коэффи­циент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной среде.

Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид

L_п = , (4.8)

где - коэффициент поглощения излучения в активной среде;

L_рез- длина оптического резонатора;

К₁ ,К₂ - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Второй член представляет собой торцевые потери излуче­ния, отнесенные к единице длины резонатора.

При некотором значении энергии накачки, которое называется поро­гом генерирования лазера, L _л > L _п, что означает лавинообразное усиле­ние энергии лазерного излучения, т. е. генерацию. Таким образом, порог генерирования лазера – это энергия (или мощность), которая поступает на вход источника питания лазера и при которой коэффициент лазерно­го усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оп­тическом резонаторе на той же частоте.

Направленность лазерного излучения определяется отношением дли­ны волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость q_р оценивается следующим выражением

q_р = . (4.9)

Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличаю­щихся друг от друга по частоте и распределению электромагнитного по­ля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результа­те спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения од­ночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.

Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следующие пара­метры:

· частота лазерного излучения n_Л – средняя частота (или средняя длина волны) l_Л спектра лазерного излучения;

· ширина линии лазерного излучения d_v – расстояние между точ­ками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствует половине интенсивности линии в максимуме;

· расходимость лазерного излучения q_p – плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

· время готовности лазера t_гот – время, необходимое для достиже­ния лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энер­гия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетичес­кие возможности лазера.

Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, каза­лось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.

Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 нс.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энер­гию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энер­гии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энергетическим параметрам относится также порог генерирования лазера.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

· режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазеры, работающие в непре­рывном режиме, называются непрерывными;

· режим импульсного генерирования лазерного излу­чения (импульсный режим) и соответственно импульсные лазеры;

· режим импульсно-периодического лазерного излучения – импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазер­ного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощ­ность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение форми­руется в виде периодических серий и импульсов – импуль­сных пакетов.

 

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: