Занятие 1 Тема источники оптического излучения

Накачка лазера. Создание в активном в-ве инверсии населенности производится разными способами. Чаще всего используют воздействие на в-во электромагн. излучения (оптич. накачка), электрич. разряда, пучка электронов с энергией от неск. десятков эВ до МэВ (электронный удар), высокотемпературный нагрев в-ва с послед. быстрым охлаждением (тепловая накачка), экзотермич. хим. р-ции в в-ве, инжекцию носителей заряда в область р-n - перехода в полупроводнике под действием электрич. поля. Рассмотрим нек-рые способы накачки. Оптич. накачку осуществляют чаще всего с помощью газоразрядных ламп в импульсном или непрерывном режимах работы. Поскольку их излучение имеет широкий спектр, в качестве активной среды необходимо применять материалы с широкими полосами поглощения. Однако с ростом ширины спектральной линии уменьшается сечение а и потому трудно достичь пороговых значений N_П, согласно (1). Задачу решают для разл. активных сред по-разному. Рассмотрим, напр., схему накачки рубинового лазера, в к-ром для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни иона Сr³⁺, внедренного в решетку корунда -Аl₂О₃ (рис. 5). В результате поглощения излучения hv₃₁ широкополосной газоразрядной лампы ионы Cr³⁺ переводятся из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3, представляющее собой довольно широкую полосу энергетич. уровней. Затем сравнительно быстро происходит передача части энергии возбуждения решетке кристалла и безызлучат. переход Сr³⁺ в состояние 2, из к-рого самопроизвольный переход в основное состояние 1

Рис. 5. Принципиальная схема энергетич. уровней рубина. Стрелками вверх указано поглощение энергии накачки hv₃₁, стрелками вниз - безызлучат. переходы. Двойная линия - лазерный переход на частоте v_2l.
происходит сравнительно медленно (время жизни возбужденного состояния ₂₁~10^-3 с). Инверсия населенности возникнет, если в состоянии 2 окажется более половины всех ионов Сr³⁺ . При концентрации N₂ ионов Сr³⁺ в кристалле порядка 10¹⁹ см^-3 это достигается, если энергия, поглощаемая за 1 с в 1 см³ рубина (уд. мощность накачки), составляет Р_уд=hv_3lN₂^₂₁]10³ Вт/см³. Сечение  перехода 2:1 в рубине таково, что для генерации когерентного излучения на длине волны 0,69 мкм достаточно выполнения условия: (N₂/g₂-N₁/g₁)~10¹⁷ см^-3 при длине кристалла ~10 см и коэффициенте r ~90%. На практике применяют кристаллы рубина, представляющие собой цилиндрич. стержни длиной 10-30 см и диаметром ~ 1 см. Аналогична схема накачки для лазеров на основе стекол и иттрий-алюминиевого граната, активированных Nd, и нек-рых др. твердотельных лазеров, в к-рых для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни примесных ионов. Оптич. накачку применяют также в лазерах на красителях (жидкие активные среды) и ряде др. Др. схема оптич. накачки основана на том, что при поглощении широкополосного спектра излучения происходит фотолиз молекул с появлением радикалов и возбужденных атомов, последние и образуют активную среду лазера. Напр., при фотолизе молекулы C₃F₇I под действием УФ излучения с длиной волны 200-250 нм возникает возбужденный атом I в состоянии ³Р_1/2
C₃F₇I+hv_уф:С₃Р₇+I(³P_1/2)
При переходе атома I в состояние ³Р_3/2 излучается фотон с длиной волны 1,315 мкм:
I(³P_1/2)+nhv:(n+l)hv+I(³Р_3/2)
Электронный удар применяют в осн. для накачки газовых лазеров. Накачка основана на возбуждении атома при его соударении с электроном, обладающим достаточно большой кинетич. энергией. Напр., в He-Ne-лазере происходят след. процессы (рис. 6):
He(1¹S)+е:Не³+е, He(1¹S)+е:Не⁺+2e,
где l¹S - осн. состояние атома Не, а Не^* - одно из его возбужденных состояний. Релаксация энергии возбуждения и рекомбинация ионов с электронами протекают в этой системе таким образом, что возбужденные атомы Не^B скапливаются на метастабильных уровнях 2¹S и 2³S. Инверсная населенность получается при передаче энергии возбуждения от Не к Ne, уровни к-рого 3S и 2S близки по энергии к 2¹S и 2³S уровням Не:
He(2¹S)+Ne(lS):Не(1¹S)+Ne(3S) He(2³S)+Ne(lS):He(l¹S)+Ne(2S)
Переходы 3S:3P, 3S:2P или 2S:2P в Ne используются для генерации когерентного излучения на длинах волн 3,39, 0,63 или 1,15 мкм соответственно.

Рис. 6. Схема электронных уровней Не и Ne, используемых для нахачкя. Не - Ne - лазера электронным ударом в газовом разряде.
Электронный удар применяют также для накачки СО₂-и СО-лазеров, лазеров на парах металлов, эксимерных (точнее, эксиплексных), а также нек-рых полупроводниковых лазеров. Тепловая накачка лазера происходит при быстром охлаждении сильно нагретых газовых смесей. При надлежащем подборе компонентов смеси удается найти такие системы энергетич. уровней частиц, в к-рых нижележащие уровни "охлаждаются" (опустошаются) быстрее, чем вышележащие. Это приводит к образованию инверсной населенности. Практически наиб. удобный способ охлаждения - сверхзвуковое истечение газов через сопло; наиб. удачные активные среды-смеси N₂-CO₂-He и N₂-CO₂-H₂O. Лазеры с тепловой накачкой на этих активных средах наз. тепловыми газодинамич. лазерами. О химической накачке см. Лазеры химические. Инжекция носителей тока через p-n-переход - осн. способ накачки полупроводниковых лазеров. Активная среда представляет собой кристалл-полупроводник, состоящий из областей р- и n-типа (рис. 7). Между этими областями возникает контактная разность потенциалов, уравновешивающая потоки носителей из одной части в другую;

Рис. 7. Инжекционный полупроводниковый лазер. Область потенциального барьера (p-n-перехода) заштрихована. (+) и (-) - контакты для приложения напряжения. Лазерное излучение hv направлено перпендикулярно плоскости рисунка (волнистая линия со стрелкой).
электрич. ток через контакт равен нулю. Если к образцу приложить электрич. напряжение, равное по величине контактной разности потенциалов, возникнут потоки носителей навстречу друг другу и их рекомбинация с испусканием фотонов. Зеркалами оптич. резонатора в таком лазере служат хорошо отполированные плоскопараллельные грани самого кристалла. наиб. совершенные инжекционные лазеры представляют собой более сложную структуру (гетероструктуру). Важная особенность инжекционных лазеров -их миниатюрность; длина активной зоны обычно неск. мм, рабочая часть p-n-перехода имеет размеры в направлении протекания тока ~1 мкм, поперечный размер - обычно 1 мм. Типы лазеров и их применение. Лазеры можно классифицировать по типу активной среды (твердотельные, в т.ч. полупроводниковые лазеры, газовые, лазеры на жидких красителях и т.п.), по способу накачки или по др. признакам, однако ни одна из таких классификаций не является однозначной. По совокупности нек-рых признаков (тип среды, способ накачки, режим работы, мощность генерируемого излучения и др.) удобно выделить след. лазеры:
1. Твердотельные лазеры на стеклах и иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ-лазеры), активированных Nd (длина волны генерируемого излучения =1,06 мкм), рубиновые лазеры (=0,69 мкм). Используют оптич. накачку с помощью газоразрядных ламп; возможна работа лазеров в импульсном и импульсно-периодич. режимах (стекла и рубин; для ИАГ-лазеров возможен и непрерывный режим работы). Энергия, генерируемая в режиме одиночных импульсов длительностью до 10^-3 с, может достигать 10³ Дж за импульс с одного стержня стекла, активированного Nd. Уникальные установки на этом материале могут генерировать до 100 кДж за импульс длительностью 10^-9 с. Мощность ИАГ-лазеров в непрерывном режиме может достигать сотен Вт.
2. Электроразрядные лазеры низкого давления на смесях благородных газов (He-Ne, Не-Хе и др.). Маломощные системы, генерирующие излучение высокой монохроматичности и направленности. наиб. применение получил He-Ne-лазер (=0,628 и 3,39 мкм).
3. Полу проводниковые лазеры. Накачка инжекцией носителей тока через р-n-переход или гетеропереход, а также облучением пов-сти полупроводника электронным пучком. Возможна и оптич. накачка, хотя широкого распространения полупроводниковые лазеры с оптич. накачкой не получили. Инжекционные лазеры миниатюрны, имеют большой кпд, могут работать в импульсном и непрерывном режимах. На основе твердых р-ров, напр. системы Ga|In|Ar|Sb, можно получить излучение в дальнем, среднем и ближнем ИК диапазонах (длина волны от 0,6 до 6 мкм). Лазеры с электронной накачкой генерируют излучение в ближнем ИК и во всем видимом диапазонах.
4. N₂-CO₂ и N₂-СО-лазеры (=9-11 мкм для СО₂ и 5-6 мкм для СО). Накачка электрич. разрядом, практически достижимая мощность излучения в непрерывном режиме - более десятка кВт; возможны также импульсный и импульсно-периодич. режимы работы.
5. Ионный аргоновый лазер непрерывного действия (=488 и 514 мкм). Накачка электрич. разрядом, мощностью до неск. десятков Вт.
6. Лазеры на парах металлов (Сu, Cd, Se, Sn и др.) в смеси с Не. Накачка электрич. разрядом. наиб. перспективен медный лазер (=510нм); режимы работы - импульсно-периодич. и непрерывный; мощность излучения - дeсятки Вт.
7. Эксимерные лазеры на смеси благородных газов с фтором, хлором, фторидами. Накачка сильноточным электронным пучком или поперечным электрич. разрядом. Генерирует излучение в УФ диапазоне, режим работы импульсный.
8. Фотодиссоциационные лазеры наиб. распространение получил йодный лазер (=1,315 мкм), работающий в режиме мощных одиночных импульсов.
9. Лазеры на жидких красителях; накачка оптическая с помощью газоразрядных ламп или лазеров др. типов. Главное преимущество перед др. типами лазеров - возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне.
10. Хим. лазеры со смесью газов в качестве активной среды. Генерируется излучение широкого спектра в ближнем ИК диапазоне. Осн. преимущество - возможность получения непрерывного излучения больших мощностей (сотни кВт) и энергий в импульсе (десятки кДж).
11. Газодинамич. лазеры с тепловой накачкой. Осн. рабочая смесь - N₂-CO₂-Не или N₂ - СО₂ - Н₂О; излучающая молекула - колебательно возбужденный СО₂; возможно получение мощностей излучения порядка сотен кВт. Разработаны лазеры с излучающими молекулами СО, CS₂, N₂O.
12. Лазеры на своб. электронах. Перспективная система, широко обсуждаемая в литературе; практически используемых систем в оптич. диапазоне пока нет.
13. Лазеры рентгеновского диапазона. Пока разработаны только лаб. варианты с генерированием излучения 20 нм.
14. Гамма-лазеры на ядерных переходах пока не осуществлены. Применение лазеров чрезвычайно широко и определяется св-вами генерируемого излучения. Так, большая частота (в сравнении с радиодиапазоном) и высокая монохроматичность излучения обеспечивают возможность передачи на большие расстояния по световодам больших объемов информации. Предполагается, что лазерно-волоконная связь станет в ближайшем будущем доминирующей. Используют в осн. полупроводниковые лазеры. На высокой когерентности лазерного излучения основано применение лазеров для получения объемных изображений (голография). Большие мощности излучения в непрерывном и импульснопериодич. режимах и возможность фокусировки лазерного луча в пятно требуемого размера обусловливают использование лазеров для резки и сварки материалов, обработки и закалки пов-сти. Используют в осн. твердотельные лазеры на люминесцирующих средах, газовые лазеры высокого давления (N₂-CO₂ и N₂-CO), газодинамич. лазеры с тепловой накачкой. Быстро расширяется применение лазеров в медицине, гл. обр. в офтальмологии (для приварки сетчатки глаза и при др. операциях), в хирургии - в качестве скальпеля, что особенно эффективно при операциях на кровенасыщенных органах; для стерилизации ран; для эндоскопии внутр. органов и остановки внутр. кровотечений. Используют в осн. лазеры рубиновые, аргоновые, на парах меди, иттрий-алюминиевом гранате, N₂-CO₂. В метрологии лазеры используют для создания единого оптич. стандарта длины - времени. В частности, с помощью спец. образом стабилизированного по частоте He-Ne-лазера удалось на два порядка улучшить точность измерения длины по сравнению с криптоновым эталоном. Применяют лазеры для управления хим. и биол. процессами (см. Лазерная химия), для зондирования атмосферы, в вычислит, технике для записи и считывания информации, в быту - в звукои видеовоспроизводящих устройствах высокого качества. Революционизирующее влияние оказало применение лазеров в разл. областях науки. На принципиально новую основу поставлена спектроскопия (см. Лазерная спектроскопия), появились новые области науки и техники-нелинейная оптика, оптоэлектроника, интегральная оптика. Разрабатываются способы изотопов разделения с использованием лазеров на красителях, N₂-СО₂-лазеров и ряда других, системы для проведения экспериментов по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). Лит.: Квантовая электроника, М., 1969 (сер. Маленькая энциклопедия); Справочник по лазерам, иод ред. А.М. Прохорова, пер. с англ., М., 1978; О'Шиа Д., Коллсн Р.. Роде У, Лазерная техника, пер. с англ., М., 1980. А. Н. Ораевский.