Материал: Физические основы работы квантовых генераторов (110

Несмотря на эти сложности, лазеры на красителях имеют большое значение, в основном благодаря своей способности перестраиваться. Каждый краситель имеет широкий спектр люминесценции, и лазер легко перестраивается в пределах этого спектра с помощью решетки или призмы, расположенной внутри резонатора. Более того, имеется большое количество красителей, которые позволяют получать когерентное излучение на любой длине волны видимого спектра.

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где переходы с оптическим излучением происходят между двумя не энергетическими уровнями, а энергетическими зонами – зоной проводимости и валентной зоной, состоящими из большого числа перекрывающихся уровней. Эти зоны разделены запрещенной зоной. Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (для обычных случаев межзонных переходов) показан на рис. 11.

Рис. 11. Излучение в полупроводниках

Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами, имеющими энергию немного больше ширины запрещенной зоны, возбуждает электроны и переводит их в более высокое энергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией.

Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током и с контактом между полупроводнико-

16

выми материалами n- и р-типа. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света.

Основными материалами для полупроводниковых лазеров являются GaAs (арсенид галлия), AlGaAs (арсенид галлия – алюминия), GaP (фосфид галлия), InGaP (фосфид галлия – индия).

6. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА

Мы предполагали, что излучение лазера монохроматично и частота излучения строго определяется формулой

ν= E2 h− E1 .

Вдействительности излучение лазера содержит спектр частот. Это свя-

зано с тем, что активная среда имеет ширину линии усиления Δνу (рис. 12а).

Рис. 12. Генерация света многомодовым лазером

Для разных сред эта величина меняется в широких пределах. Например, для гелий-неонового лазера Δνу определяется доплеровским уширением спектральной линии и составляет ≈ 0,04 см–1. Для рубинового лазера Δνу = 2–4 см–1, адлялазеранараствореорганическогокрасителяΔνу = 103 см–1.

Для осуществления обратной связи вещество помещают в резонатор. В простейшем случае это зеркальный резонатор типа Фабри – Перо. Для непрерывного усиления света в ОКГ необходимо, чтобы волна, возвратившаяся в некоторую точку активной среды после отражений от зеркал, имела в этой точке фазу, совпадающую с фазой первичной волны при любом числе

17

отражения от зеркал. Это значит, что длина пути, который проходит волна между двумя отражениями, должна быть равной или кратной целой длине самой волны:

Данное уравнение является фазовым условием, выполнение которого необходимо для генерации. Следовательно, на длине L резонатора должно укладываться n стоячих полуволн; такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные близко расположенные волны постепенно гасят друг друга. Таким образом, уравнение (21) есть одновременно условие резонанса между электромагнитной волной и зеркальным резонатором. Из этого уравнения можно найти частоты, которые генерируются в ОКГ. Так как λ = с / ν, тo νn = nc / 2L. Каждому n соответствует собственная частота νn. В результате спектр состоит из ряда очень узких линий, частоты которых отстоят друг от друга на Δν = с / 2L (рис.12б).

В результате спектр лазерной генерации будет состоять из набора частот (рис. 12в). Существуют способы получения генерации на одной собственной частоте, т.е. получения почти монохроматического излучения. В

гелий-неоновом и рубиновом ОКГ ширина линий составляет соответственно 0,03 см–1 и 20 см–1.

Замечательной чертой лазеров, связанной с их когерентностью, является исключительная способность к концентрации световой энергии: в спектре – очень узкая спектральная линия излучения; во времени – возможность получения сверхкоротких импульсов света; в пространстве и по направлению распространения – возможность получении направленного пучка с предельно малой расходимостью.

7.ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Кчислу основных параметров, характеризующих лазерное излучение, относятся длина волны излучения, энергия и длительность импульса, мощность генерации в непрерывном режиме, ширина спектра, диапазон перестройки, угловая расходимость излучения. Для разных типов лазеров эти

параметры меняются в очень широких пределах. Диапазон генерируемого излучения охватывает область от 200 нм для эксимерных лазеров 2, а лазер на переходах между колебательными уровнями молекул (на углекислом газе) генерирует инфракрасное излучение с длиной волны около 10 мкм. Лазеры на растворах органических красителей способны плавно менять длину

2 Газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбужденном состоянии).

18

волны излучения в пределах полосы частот шириной порядка 1000 см–1. Специальные модели гелий-неонового лазера генерируют излучение с очень узкой спектральной линией, ширина которой составляет 102–103 Гц. Угловая расходимость лазерного луча близка к дифракционному пределу. С помощью лазеров фактически достигнут предел длительности световых импульсов. Так, получены импульсы длительностью 4,5 10–15 с – всего лишь в два раза превышающей период световых колебаний. Мощность непрерывной генерации СО2 лазера достигает 106 Вт. На установках для лазерного термоядерного синтеза созданы ОКГ, генерирующие импульсы длительностью порядка 10–9с с энергией 105 Дж и мощностью до 1014 Вт. Фокусировка такого излучения позволяет получить интенсивность света на уровне 1019 Вт/см2, при этом напряженность поля в световой волне достигает 1011 В/см, т.е. превышает напряженность внутриатомного электрического поля.

Столь широкий диапазон свойств лазера открывает чрезвычайно большие возможности его применения.

8. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Основные свойства лазерного излучения – это монохроматичность, высокая степень когерентности, необыкновенная направленность и, как следствие предыдущих свойств, чрезвычайная яркость. Лазеры позволяют концентрировать световую энергию в пространстве (мощный узкий луч) и во времени (короткий мощный импульс). Следствием таких уникальных свойств является широкое применение лазеров в самых различных областях человеческой деятельности.

Для лазерного способа ввода энергии в вещество характерны точная локализация, дозированность и стерильность. Способность концентрировать большую мощность на малой площади материала привела к появления лазерных технологий в промышленности.

С помощью лазеров осуществляются резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. Причем отмечаются такие преимущества лазерной обработки, как высокая скорость выполнения операций, высокое качество обработки, возможность автоматизации операций и др. В металлургии лазеры позволяют получить сверхчистые металлы – в вакууме или в контролируемой газовой среде. Сверхкороткие импульсы применяются для изучения быстропротекающих процессов, сверхскоростной фотографии и др. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода – вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов.

19

Значительный эффект получен при использовании лазеров в медицине: при лечении глазных, кожных заболеваний и др. Был создан лазерный скальпель, который является надежным, абсолютно стерильным и бескровным. Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний.

Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы. Лазерная локация уточнила значение астрономической постоянной и способствовала коррекции систем космической навигации, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазерная локация существенно уточнила характеристики движения Луны и Венеры по сравнению с прежними астрономическими данными.

С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики, как нелинейная оптика и голография. Лазеры используются и для решения проблемы термоядерного синтеза.

ЛИТЕРАТУРА

1.Бутиков Е.И. Оптика / Е.И. Бутиков. – М. : Высшая школа, 1986. –

511 с.

2.Ландсберг Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М. : Физматлит, 2006. –

848 с.

3.Звелто О. Принципы лазеров / О. Звелто. – СПб. ; М. ; Краснодар :

Лань, 2008. – 719 с.

4.Ярив А. Введение в оптическую электронику / А. Ярив. – М. : Выс-

шая школа, 1983. – 397 с.

5.Справочник по лазерной технике / под ред. А.П. Напартовича. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 543 c.

20