Гелий-неоновый лазер. Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер Гелио неоновый лазер

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne ). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He ).

Схема накачки показана на рис. 4.2. В результате столкновений с электронами атомы гелия переходят с основного уровня на уровень 2 S . Эти возбуждённые атомы гелия сталкиваются с атомами неона и отдают им запасенную энергию. В результате атомы неона переходят с основного уровня на уровень, который близко расположен к уровню2 S гелия. В резуль-тате на
уровне неона создается значительная насе-лённость. В то же время, уровень
населен мало, поскольку он быстро очи-щается благодаря спон-танным переходам на нижележащие уровни. На переходе
возни-кает инверсная населенность. Переход атома неона с верхнего
уровня на ниж-ний уровень
приводит к лазерному излучению с длиной волны
мкм, что соответствует красному свету.

Пусть имеется среда, в которой создана инверсная населенность, т.е. условие (4.7) имеет место. В такой среде вынужденное излучение сильнее, чем поглощение. Поэтому среда будет усиливать проходящий свет с частотойν (длиной волныλ) , соответствующей переходу между уровнями с инверсной населенностью (см. формулу (4.2)). Однако это усиление невелико: в гелий-неоновом лазере свет, пройдя в активной среде путь в1 м, усиливается всего на2 %. Поэтому для получения яркого излучения необходимо, чтобы путь света в активной среде был очень длинным. Это достигается с помощьюоптического резонатора . Активная среда с инверсной населенностью и оптический резонатор – две основные части любого лазера.

На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодК и анодА . При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5 кВ, ток через трубку достигает30 mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.

Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1 иЗ2 (плоские или сферические), одно из которых (З2 ) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.

Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.

Излучение гелий-неонового лазера эллиптически-поляризованно. Это вызвано тем, что окна газоразрядной трубки установлены под углом Брюстера
. Отражение проходящего света от окон газоразрядной трубки подавляет лазерную генерацию. Устанавливая окна под углом Брюстера, добиваются того, что свет, в котором векторЕ колеблется в плоскости падения, проходит через окно практически без отражения. В результате только такой поляризованный свет генерируется лазером.

Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.

Газовый лазер представляет собой прибор, относящийся к оптическим квантовым генераторам.

Основным элементом гелиево-неонового лазера непрерывного действия является газоразрядная трубка Т (рисунок 1), имеющая накаливаемый катод К и анод А. Трубка наполнена смесью гелия (Не ) (парциальное давление Не 1 мм рт. ст) и неона (Ne ) (парциальное давление Ne 0,1 мм рт. ст). Внутренний диаметр трубки 1...10 мм, длина от нескольких десятков сантиметров до 1,5...3 м. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми окнами Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Для линейно поляризованного излучения с электрическим вектором в плоскости падения коэффициент отражения от них равен нулю. Поэтому брюстеровские окна обеспечивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают потери энергии при распространении света из активной зоны к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами В 1 и В 2 с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в рабочем спектральном интервале и практически не поглощают свет. Пропускная способность зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 1...2%, другого - менее 1%.

На электроды трубки подается напряжение 1...2 кВ. При накаленном катоде и указанном напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться тлеющий электрический разряд. Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей уровней в неоне. Типичная сила тока в газовом разряде - десятки миллиампер.

Видимое излучение разряда дает неон, но необходимое для этого возбуждение атомов осуществляется с помощью атомов гелия. Упро-щенная схематическая картина энергетических уровней атомов Не и Ne показана на рисунке 2.

За счет соударений с электронами атомы Не переходят в возбужденное состояние (2 3 S и 2 1 S ). Эти уровни метастабильны с энергией 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень по правилам отбора запрещен, т.е. происходит с очень малой вероятностью.

Рисунок 2

Время жизни атома на уровнях 2 1 S и 2 3 S велико в сравнении с временем жизни на обычных возбужденных уровнях, поэтому на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов Не . Но уровни неона 3S и 2S практически совпадают с метастабильными уровнями 2 1 S и 2 3 S гелия. Благодаря этому, при столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne происходят переходы атомов Ne в возбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомов гелия атомам неона.

Процесс возбуждения атомов Ne изображен горизонтальными пунктирными стрелками (рисунок 2). В результате концентрации атомов неона на уровнях 3S и 2S сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность энергетических уровней по отношению к уровню 2Р . В трубке создается активная среда, состоящая из атомов Ne , обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней электронов.

Спонтанное излучение отдельных возбужденных атомов приводит к распространению в активной среде фотонов, соответствующих электронным переходам в атомах неона с уровней 3S на уровни 2P .

Под действием электромагнитного поля распространяющихся в разряде фотонов (сначала спонтанно излученных возбужденными атомами неона) происходит индуцированное когерентное излучение других возбужденных атомов неона, т.е. активной среды, заполняющей трубку лазера. Массовое нарастание этого процесса обеспечивается многократным прохождением излучения между зеркалами В 1 и В 2 резонатора, что приводит к формированию мощного индуцированного потока направленного когерентного излучения лазера. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением поперечного сечения пучка, т.е. только с волновыми свойствами света. Это важнейшее обстоятельство отличает лазерный источник от любого другого источника света.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Газовый лазер ЛГ78.

2 Оптическая скамья.

3 Блок питания.

4 Дифракционная решетка.

5 Стеклянные пластины с напыленными между ними микрочасти-цами.

6 Экран с миллиметровой шкалой.

5 Работа с газовым лазером

Включить тумблер "Сеть". Переключатель "Регулировка тока" установлен в рабочем положении преподавателем или лаборантом. Категорически запрещается переводить его в другое положение.

Во время работы с лазером необходимо помнить, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения .

Поэтому при работе с лазером его свет наблюдается после отражения на экране с рассеивающей поверхностью.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1

Измерение длины волны излучения лазерапри помощи

дифракционной решетки

Направленность и пространственная когерентность излучения лазера позволяет применять его в ряде измерений без предварительной коллимации.

Установка для проведения данного упражнения включает лазер, рейтер с дифракционной решеткой, экран с миллиметровой шкалой для наблюдения дифракционной картины (рисунок 3).

Рисунок 3

Дифракционная решетка устанавливается перпендикулярно к оси светового луча, выходящего из лазера. Для этого световой блик, отраженный от плоскости решетки, необходимо провести точно на середину выходного окна лазера, т.е. добиться совпадения выходящего из лазера светового пучка и его отражения от плоскости решетки.

Ввиду монохроматичности излучения лазера, на экране наблюдается множество неперекрывающихся дифракционных спектров различных положительных и отрицательных порядков. Эти спектры образуют на экране ряд красных полосок, повторяющих сечение первичного светового пучка, падающего на решетку.

Экран устанавливается перпендикулярно к пучку света, и порядки спектров располагают симметрично относительно нуля шкалы экрана.

Под расстоянием между дифракционными спектрами и спектром нулевого порядка надо понимать расстояние между серединами наблюдаемых спектров (полосок).

Расчет длины волны ведется по формуле

где d - постоянная решетки (в нашем случае d = 0,01 мм);
- угол дифракции;

k - порядок спектра;

l - длина волны лазерного излучения.

Рисунок 4

Угол дифракции определяется из соотношения

(2)

где - расстояние между левым и правым максимумами порядка k ;

L - расстояние от плоскости дифракционной решетки до плоскости экрана (рисунок 4).

Подставляя (2) в (1), получаем

Порядок выполнения упражнения 1

1 Измерить расстояние в спектре первого (k = 1), второго (k = 2) и третьего (k = 3) порядков при различных расстояниях экрана от дифракционной решетки.

2 Результаты измерений занести в таблицу 1.

3 Вычислить длину волны, соответствующую излучению лазера.

Таблица 1

Порядок спектра k	L, м	X k , м	l i , м	, м	Dl i , м	, м		Dl, м	e, %

Обработка экспериментальных данных

1 Вычислить длину волны для каждого измерения по формуле (3).

2. Вычислить среднее значение где n - число измере-ний.

3 Вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений

5 Задать значение надежности a (по указанию преподавателя).

6 Определить по таблице Стьюдента и вычислить границы доверительного интервала

7 Вычислить относительную погрешность Значение найденной величины l использовать в расчетах, необходимых в следующем упражнении.

Упражнение 2

Фраунгоферова дифракция лазерного излучения

на малых круглых частицах

Монохроматический, хорошо коллимированный и пространственно когерентный луч лазера дает возможность непосредственно наблюдать дифракцию света на круглых частицах.

Для того, чтобы углы дифракции на частицах были значительными, размер частиц должен быть малым. Однако, если в световой пучок поместить одну малую частицу, то даваемую ей на удаленном экране дифракционную картину наблюдать будет трудно, т.к. картина будет проектироваться на светлый фон, созданный частью светового пучка, не испытавшей дифракцию.

Для получения хорошо видимой дифракционной картины нужно поместить на пути светового пучка множество хаотически расположенных одинаковых частиц. В самом деле, поскольку исследуется фраунгоферова дифракция, любая отдельная частица, независимо от ее положения в плоскости поперечного сечения светового пучка, дает одинаковое распределение дифрагированного света.

При одновременном присутствии в сечении пучка многих частиц, угловое распределение дифрагированного света, создаваемого каждой частицей в отдельности, не нарушается, если нет систематического интерференционного эффекта между световыми пучками, дифрагировавшими на разных частицах.

Если в плоскости поперечного сечения светового пучка частицы расположены хаотически, то в силу равной вероятности всех значений фаз волн, дифрагированных по различным направлениям, складываться будут только интенсивности световых пучков, дифрагированных на разных частицах. Дифракционная картина от N частиц усилится по интенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной отдельной частицы, не изменяя своей структуры. Это обстоятельство и используется в настоящем эксперименте.

Установка остается той же, что и в упражнении 1, но вместо дифракционной решетки на рейтере устанавливается оправка со стеклянными пластинами, между которыми напылены частички ликоподия (споры растения плауна), представляющие собой шарики, приблизительно одинакового малого размера.

На экране после включения лазера можно будет наблюдать систему концентрических светлых и темных дифракционных колец, окружающих светлый круг.

Угловые радиусы a i темных колец подчиняются соотношениям:

Угловые радиусы a i светлых колец

(5)

где r - радиус частицы, вызвавшей дифракцию света.

Значения sina i рассчитываются из условия

(6)

где D i - линейный диаметр соответствующего дифракционного кольца на экране;

L - расстояние от стеклянной пластины до экрана.

Порядок выполнения упражнения 2

и обработка экспериментальных данных

1 Измерить диаметры первого (D 1) и второго (D 3) темных колец при различных расстояниях L . Результаты занести в табл. 2.

2 Построить график зависимости D = f (L ) для каждого из дифракционных минимумов, т.е. D 1 = f (L )и D 3 = f (L ).

3 Определить тангенсы углов дифракции, соответствующих первому и второму темному кольцу, используя формулу (6), и среднее значение радиуса частицы с помощью соотношений (4).

4 Определить погрешность измерений. Записать окончательный результат в виде r = <r > ± r > (м).

5 Сделать выводы по работе.

Целью работы является исследование основных характеристик и параметров газового лазера, в качестве активного вещества в котором используется смесь газов гелия и неона.

3.1. Принцип действия гелий-неонового лазера

Гелий-неоновый лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Он относится к атомарным газовым лазерам и его активной средой служит смесь нейтральных (неионизированных) атомов инертных газов – гелия и неона. Неон является рабочим газом, и между его энергетическими уровнями происходят переходы с испусканием когерентного электромагнитного излучения. Гелий исполняет роль вспомогательного газа и способствует возбуждению неона и созданию в нем инверсии населенности.

Для начала генерации в любом лазере должны быть выполнены два важнейших условия:

1. Между рабочими лазерными уровнями должна существовать инверсия населенности.

2. Усиление в активной среде должно превышать все потери в лазере, в том числе «полезные» потери на вывод излучения.

Если в системе существуют два уровня Е 1 и Е 2 с числом частиц на каждом из них соответственно N 1 и N 2 и степенью вырождения g 1 и g 2 , то инверсия населенностей будет происходить, когда населенность N 2 /g 2 верхнего уровня Е 2 будет больше населенности N 1 /g 1 нижнего уровня Е 1 , то есть степень инверсии ΔN будет положительна:

Если уровни Е 1 и Е 2 невырождены, то для возникновения инверсии необходимо, чтобы число частиц N 2 на верхнем уровне Е 2 было больше числа частиц N 1 на нижнем уровне Е 1 . Уровни, между которыми возможно образование инверсии населенностей и возникновение вынужденных переходов с испусканием когерентного электромагнитного излучения, называют рабочими лазерными уровнями .

Состояние с инверсией населенностей создается с помощью накачки – возбуждения атомов газа различными методами. За счет энергии внешнего источника, называемого источником накачки , атом Ne с основного уровня энергии E 0 , соответствующего состоянию термодинамического равновесия, переходит в возбужденное состояние Ne*. Переходы могут происходить на различные энергетические уровни в зависимости от интенсивности накачки. Далее происходят спонтанные или вынужденные переходы на нижележащие уровни энергии.

В большинстве случаев нет необходимости рассматривать все возможные переходы между всеми состояниями в системе. Это дает возможность говорить о двух-, трех- и четыхуровневых схемах работы лазеров. Вид схемы работы лазера определяется свойствами активной среды, а также используемым методом накачки.

Гелий-неоновый лазер работает по трехуровневой схеме, как показано на рис. 3.1. В этом случае каналы накачки и генерации излучения частично разделены. Накачка активного вещества вызывает переходы с основного уровня E 0 на возбужденный уровень E 2 , что приводит к возникновению инверсии населенностей между рабочими уровнями E 2 и E 1 . Активная среда, находящаяся в состоянии с инверсией населенностей рабочих уровней, способна усиливать электромагнитное излучение с частотой
за счет процессов вынужденного испускания.

Рис. 3.1. Схема энергетических уровней рабочего и вспомогательного газа, поясняющая работу гелий-неонового лазера

Так как уширение уровней энергии в газах мало и широкие полосы поглощения отсутствуют, то получение инверсной населенности с помощью оптического излучения затруднено. Однако в газах возможны другие методы накачки: прямое электронное возбуждение и резонансная передача энергии при столкновении атомов. Возбуждение атомов при столкновении с электронами может быть проще всего осуществлено в электрическом разряде, где ускоренные электрическим полем электроны могут приобрести значительную кинетическую энергию. При неупругих столкновениях электронов с атомами последние переходят в возбужденное состояниеE 2:

Важно, что процесс (3.4) носит резонансный характер: вероятность передачи энергии будет максимальна, если возбужденные энергетические состояния различных атомов совпадают, т. е. находятся в резонансе.

Подробно уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рис. 3.2. Переходы, соответствующие неупругим взаимодействиям атомов газов с быстрыми электронами (3.2) и (3.3), показаны пунктирными стрелками вверх. Атомы гелия в результате электронного удара возбуждаются на уровни 2 1 S 0 и 2 3 S 1 , которые являются метастабильными. Излучательные переходы в гелии в основное состояние 1 S 0 запрещены правилами отбора. При столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne, находящимися в основном состоянии 1 S 0 , возможна передача возбуждения (3.4), и неон переходит на один из уровней 2S или 3S. При этом выполняется условие резонанса, поскольку энергетические зазоры между основными и возбужденными состояниями во вспомогательном и рабочем газе близки между собой.

С уровней 2S и 3S неона могут происходить излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Уровни Р менее заселены, чем верхние уровни S, так как прямая передача энергии от атомов He на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни Р обладают малым временем жизни, и безызлучательный переход Р→1S опустошает уровни Р. Таким образом, возникает ситуация (3.1), когда населенность верхних уровней S выше населенности нижележащих уровней Р, т. е. между уровнями S и P возникает инверсия населенности, а значит переходы между ними могут использоваться для лазерной генерации.

Так как число уровней S и Р велико, то возможен большой набор различных квантовых переходов между ними. В частности, с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S→2Р является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра). Для переходов 3S→2Р наиболее значима линия 0,6328 мкм (красная область), а для 3S→3Р – 3,3913 мкм (ИК-область). Спонтанное излучение происходит на всех перечисленных длинах волн.

Рис. 3.2. Энергетические уровни атомов гелия и неона и схема работыHe-Ne-лазера

Как указывалось ранее, после излучательных переходов на уровни Р происходит безызлучательный радиационный распад при переходах Р→1S. К сожалению, уровни неона 1S являются метастабильными, и если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в основное состояние с уровня 1S является соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы увеличивается при уменьшении диаметра разрядной трубки. Поскольку состояния 1S неона опустошаются медленно, то атомы Nе задерживаются в этих состояниях, что является весьма нежелательным и определяет ряд особенностей этого лазера. В частности, при увеличении тока накачки выше порогового значения j пор происходит быстрое увеличение, а затем насыщение и даже спад мощности лазерного излучения, что как раз и объясняется накоплением рабочих частиц на уровнях 1S и затем их перебросом в состояния 2Р или 3Р при столкновении с электронами. Это не дает возможности получать высокие выходные мощности излучения.

Возникновение инверсной населенности зависит от давления He и Ne в смеси и температуры электронов. Оптимальные значения давлений газов составляют для Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура электронов задается напряжением, прикладываемым к газовой смеси. Обычно это напряжение поддерживается на уровне 2…3 кВ.

Для получения лазерной генерации необходимо, чтобы в лазере существовала положительная обратная связь, иначе прибор будет работать только как усилитель. Для этого активную газовую среду помещают в оптический резонатор. Кроме создания обратной связи резонатор используется для селекции типов колебаний и отбора длины волны генерации, для чего применяются специальные селективные зеркала.

При уровнях накачки, близких к пороговому, сравнительно легко осуществляется генерация на одном типе колебаний. С увеличением уровня возбуждения, если не принимается специальных мер, возникает ряд других мод. В этом случае генерация происходит на частотах, близких к резонансным частотам резонатора, которые заключены в пределах ширины атомной линии. В случае аксиальных типов колебаний (ТЕМ 00 -мод) расстояние по частоте между соседними максимумами
, гдеL – длина резонатора. В результате одновременного присутствия нескольких мод в спектре излучения возникают биения и неоднородности. Если бы существовали только аксиальные моды, то спектр представлял бы собой отдельные линии, расстояние между которыми было бы равно c / 2L . Но в резонаторе возможно также возбуждение неаксиальных типов колебаний, например ТЕМ 10 -мод, наличие которых сильно зависит от настройки зеркал. Поэтому в спектре излучения появляются дополнительные линии-спутники, расположенные симметрично по частоте по обе стороны от аксиальных типов колебаний. Возникновение новых типов колебаний с увеличением уровня накачки легко определяется при визуальном наблюдении структуры поля излучения. Также визуально можно наблюдать влияние юстировки резонатора на структуру мод когерентного излучения.

Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается, а излучение гелий-неонового лазера характеризуется хорошей стабильностью частоты и высокой направленностью, которая достигает своего предела, обусловленного дифракционными явлениями. Дифракционный предел расходимости для конфокального резонатора

,

где λ – длина волны; d 0 – диаметр светового пучка в наиболее узкой его части.

Излучение гелий-неонового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Ширина линий излучения такого лазера значительно ỳже «естественной» ширины спектральной линии и на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров. Поэтому для ее определения проводят измерение спектра биений различных мод в излучении. Кроме того, излучение этого лазера плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Доказательством когерентности излучения может быть наблюдение дифракционной картины при наложении излучений, полученных из различных точек источника. Например, когерентность можно оценить, наблюдая интерференцию от системы нескольких щелей. Из опыта Юнга известно, что для наблюдения интерференции света от обычного «классического» источника излучение сначала пропускают через одну щель, а затем через две щели, и тогда на экране образуются интерференционные полосы. В случае же использования лазерного излучения первая щель оказывается ненужной. Это обстоятельство является принципиальным. Кроме того, расстояние между двумя щелями и их ширина могут быть несоизмеримо больше, чем в классических опытах. У выходного окна газового лазера располагают две щели, расстояние между которыми 2a . В случае, когда падающее излучение когерентно, на экране, расположенном на расстоянии d от щелей, будет наблюдаться интерференционная картина. При этом расстояние между максимумами (минимумами) полос

.

Лазеры

Оптическими квантовыми генераторами, или лазерами, называют устройства, создающие когерентные электромагнитные волны в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения. Слово «лазер» образовано из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света вынужденным излучением.

Любой лазер содержит 3 компонента:

1) рабочее тело,

2) система накачки,

3) оптический резонатор. Рассмотрим назначение каждого из них.

1. Рабочее тело – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В качестве активной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечивать инверсную населенность. (В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера). В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры – вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазерным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer – возбужденный димер).

2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки

«Оптическая» накачка – возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры.

Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда присутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня.

Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).

3. Оптический резонатор – это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча.

Процесс генерации излучения. Рассмотрим, как происходит процесс генерации. Система накачки создает в рабочем теле инверсную населенность. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбужденное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. За счет этого возрастает число их взаимодействий с возбужденными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического, когерентного света. Эффективность такого преобразования, то есть КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПДсоставляет 0,1-1 %.

Рубиновый лазер. Рассмотрим создание инверсной населенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах.

Рубин – это кристаллическая окись алюминия AI 2 O 3 , являющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0,05 %. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспечивает лазерную генерацию.

Из всего множества энергетических уровней атома хрома в (в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный с время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни (рис.).

Для создания инверсной населенности рубин облучают мощным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой n 02 , соответствующей переходу частиц – атомов хрома – между уровнями 0 и 2. Фотоны внешнего облучения с частотой n 02 не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенности используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уровень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.

Фотоны внешнего облучения n 02 не могут вызвать индуцированное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (n 01)- Поэтому на уровне 1 постепенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 происходит спонтанно и сопровождается излучением с длиной волны 694,3 нм.

Гелий-неоновый лазер. Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий-неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10:1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0,1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. На рис. показаны энергетические уровни атомов гелия и неона.

Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенности уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.

Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уровнем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состояние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у атомов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденным атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 632,8 нм, мощностью 100 мВт.

Самым распространенным газовым лазером является гелий-неоновый (He-Ne ) лазер (лазер на нейтральных атомах), который работает на смеси гелия и неона в соотношении 10:1. Этот лазер также является первым лазером непрерывного действия.

Рассмотрим энергетическую схему уровней гелия и неона (рис.3.4). Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 2 3 S 1 и 2 1 S 0 гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 2 3 S 1 и 2 1 S 0 являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).

Таким образом, уровни 2s и 3s неона могут заселяться и, следовательно, с этих уровней может идти генерация. Время жизни s -состояний (t s »100 нс) намного больше времени жизни р -состояний (t р »10 нс), поэтому выполняется условие для работы лазера по четырехуровневой схеме:

1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .

Лазерная генерация возможна на одном из переходов a , b , c соответственно с длинами волн l а =3,39 мкм, l b =0,633 мкм, l с =1,15 мкм, которые можно получить подбором коэффициента отражения зеркал резонатора или введением в резонатор дисперсионных элементов.

Рис. 3.4. Схема энергетических уровней гелия и неона.

Рассмотрим генерационую характеристику такого лазера.

Рис.3.5. Генерационная характеристика гелий-неонового лазера.

Первоначальный рост выходной мощности при увеличении тока накачки объясняется инверсией населенности. После достижения максимальной мощности при дальнейшем увеличении тока накачки кривая начинает спадать. Это объясняется тем, что 2р и 1s уровни не успевают релаксировать, т.е. электроны не успевают перейти на низкий энергетический уровень и количество электронов на соседних 2р и 1s уровнях становится одинаковым. В этом случае отсутствует инверсия.

КПД гелий-неоновых лазеров имеет порядок 0,1 %, что объясняется низкой объемной плотностью возбужденных частиц. Выходная мощность типичного He-Ne –лазера P ~5-50 мВт, расходимость q ~1 мрад.

Аргоновый лазер

Это самые мощные лазеры непрерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра относящиеся к ионным газовым лазерам. Верхний лазерный уровень в рабочем газе заселяется благодаря двум последовательным столкновениям электронов при электрическом разряде. При первом столкновении образуются ионы из нейтральных атомов, а при втором происходит возбуждение этих ионов. Следовательно, накачка представляет собой двухступенчатый процесс, эффективность каждого из которых пропорциональна плотности тока. Для осуществления эффективной накачки необходимы достаточно большие плотности тока.

Диаграмма энергетических уровней лазера на Ar + показана на рис. 3.3. Излучение лазера в линиях между 454,5 нм и 528,7 нм происходит при заселении группы уровней 4p путем возбуждения электронным ударом основного или метастабильных состояний Ar + .

3.5 СО 2 -лазер

МолекулярныеСО 2 –лазеры являются среди газовых лазеров самыми мощными непрерывными лазерами, вследствие наибольшего КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (15-20 %). Лазерная генерация происходит на колебательно-вращательных переходах и линии излучения этих лазеров находятся в дальней ИК-области, которые расположены на длинах волн 9,4 мкм и 10,4 мкм.

В СО 2 –лазере используется смесь газов СО 2 , N 2 и He . Накачка осуществляется непосредственно при столкновениях молекул СО 2 с электронами и колебательно возбужденными молекулами N 2 . Высокая теплопроводность He в смеси способствует охлаждению СО 2 , что приводит к обеднению нижнего лазерного уровня, заселяемого в результате теплового возбуждения. Таким образом, присутствие N 2 в смеси способствует высокой заселенности верхнего лазерного уровня, а присутствие He – обеднению нижнего уровня, а в итоге совместно они приводят к повышению инверсии населенностей. Диаграмма энергетических уровней СО 2 –лазера показана на рис. 3.4. Лазерная генерация осуществляется при переходе между колебательными состояниями молекулы СО 2 n 3 Þn 1 или n 3 Þn 2 с изменением вращательного состояния.

Рис. 3.4. Диаграмма энергетических уровней N 2 и СО 2 в СО 2 –лазере.

СО 2 –лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсных режимах. В непрерывном режиме его выходная мощность может достигать нескольких киловатт.