Принципи роботи лазерів - студопедія
Лазер - джерело електромагнітних хвиль видимого, інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів, заснований на вимушеному (або індукованому) випромінюванні атомів і молекул. Слово «лазер» складено з початкових літер (абревіатура) слів англійської фрази «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що означає «посилення світла в результаті вимушеного випромінювання». У літературі вживається також термін «оптичний квантовий генератор» (ОКГ).
Принцип роботи лазера заснований на трьох фундаментальних ідеях. Перша ідея пов'язана з використанням вимушеного (індукованого) випускання світла атомними системами. Друга ідея полягає в застосуванні термодинамічно нерівноважних середовищ зінверсної заселеністю рівнів, в яких можливе посилення, а не поглинання світла. Третя ідея полягає в використанні позитивного зворотного зв'язку для перетворення підсилює системи в генератор когерентного випромінювання.
Розглянемо вільний, не схильний до зовнішніх впливів атом випромінює середовища, який знаходиться в збудженому стані. Тоді він спонтанно (мимовільно) може перейти з порушеної стану з енергією E2 в основне (збудженому) стан з енергією E1. При цьому буде виданий квант світла - фотон з енергією Ефотона = hn = E2 - E1. де n - частота испущенного випромінювання. Статистичний, випадковий характер процесів спонтанного випромінювання призводить до того, що електромагнітні хвилі, що випускаються окремими атомами звичайних джерел світла, не узгоджені між собою: вони мають різні фази, напрямку поширення і поляризацію. Це означає, що спонтанне випромінювання звичайних джерел світла некогерентно.
Вимушене (індуковане) випромінювання - це випромінювання електромагнітних хвиль, яке виникає, якщо атоми середовища переходять із збудженого стану в основний під дією зовнішнього випромінювання (фотона). Така взаємодія фотона з порушеною атомом може бути, якщо енергія фотона hn дорівнює різниці рівнів енергій атома в збудженому і основному станах: Ефотона = hn = E2 - E1 (рис. 1), де n - частота зовнішнього випромінювання. У цьому випадку після взаємодії фотонів з атомом від атома буде поширюватися вже два фотона: що змушує і вимушений. т. е. спостерігається посилення світла. Утворене при цьому вимушене випромінювання має ту саму частоту і фазу, що і стимулюючий цей процес, і поширюється в тому ж напрямку, т. Е. Вимушене випромінювання когерентно що змушує випромінювання.
При взаємодії фотонів з речовиною поряд з вимушеним випромінюванням йде процес поглинання фотонів, при якому атоми речовини переходять з основного стану в збуджений. У звичайному стані не збудженому атомів в речовині значно більше, ніж збуджених, тому при взаємодії фотонів з речовиною переважає процес поглинання, і посилення світла немає. Для того щоб процес вимушеного випромінювання переважав над поглинанням, необхідно змінити розподіл атомів речовини, що опромінюється по енергетичним рівням. Посилення світла має місце в тому випадку, якщо концентрація атомів речовини на верхніх енергетичних рівнях, відповідних порушеній станом, більше, ніж на нижніх. Такий розподіл атомів середовища по енергетичним рівням називається інверсної заселеністю. Цей стан можливо тільки в разі термодинамічно нерівноважних середовищ.
Середа з інверсної заселеністю рівнів, в якій відбувається посилення, а не поглинання світла, називається активним середовищем. За типом використовуваної активного середовища лазери діляться на газові (наприклад, гелій-неоновий, аргоновий і т. Д.), Рідинні, твердотільні (рубіновий, скляний або сапфіровий) і напівпровідникові (в них в якості активної речовини викорис-зуется напівпровідниковий перехід).
Способи створення активного середовища називаються накачуванням лазера. Існують різні способи накачування лазерів - оптичне накачування (опромінення робочого середовища твердотільних лазерів світлом потужної лампи-спалаху), збудження електронним ударом (в газорозрядних лазерах), хімічна накачування і т. Д.
Для здійснення позитивного зворотного зв'язку частина генерованого випромінювання повинна залишатися всередині активного середовища і викликати вимушене випускання все нових і нових збуджених атомів. Для створення такого процесу активне середовище поміщають в оптичний резонатор. Оптичний резонатор являє собою систему двох дзеркал, між якими розташовується активне середовище. Дзеркала можуть бути плоскими, опуклими або увігнутими. Найважливіше їх властивість - високі значення коефіцієнта відображення. Використовуються дзеркала з багатошаровим діелектричним покриттям, що володіють сильним відображенням і майже не поглинають світла. За рахунок багаторазового відбиття світлових хвиль, що поширюються в активному середовищі, від дзеркал оптичного резонатора, забезпечується їх багаторазове посилення, внаслідок чого досягається висока потужність випромінювання.
Розглянемо пристрій і принцип дії газового гелій-неонового лазера, який працює в безперервному режимі в видимій області спектра. Основним елементом лазера є розрядна трубка, заповнена сумішшю газів - гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1 мм рт. ст. неону - 0,1 мм рт. ст. Атоми неону є атомами активного середовища (робочими), атоми гелію - допоміжними, необхідними для створення інверсної заселеності атомів неону.
На рис. 2 зображені енергетичні рівні атомів неону і гелію. При електричному розряді в трубці збуджуються атоми гелію і переходять в стан 2. Перший збуджений рівень 2 гелію збігається з енергетичним рівнем 3 атомів неону. Тому, вдаряючись з атомами неону, атоми гелію передають їм свою енергію і переводять їх в збуджений стан 3. Таким чином, в трубці створюється активне середовище, що складається з атомів неону з інверсної заселеністю рівнів.
Спонтанний (мимовільний) перехід окремих атомів неону з енергетичного рівня 3 на рівень 2 викликає поява фотонів. При подальшому впливі цих фотонів з порушеними атомами неону виникає індуковане когерентне випромінювання останніх і в трубці виникає збільшується потік фотонів з енергією hn.
Для збільшення потужності випромінювання трубку 1, заповнена сумішшю гелію і неону, поміщають в оптичний резонатор, утворений дзеркалами 5 і 6 (див. Рис. 3). Відбиваючись від дзеркал, потік фотонів проходить уздовж осі трубки, при цьому в процес індукованого випромінювання включається все більше число атомів неону, і інтенсивність генерованого випромінювання лавиноподібно зростає.
Лазер працює в режимі генерації, якщо втрати енергії світлової хвилі при кожному відбитті від дзеркала резонатора менше, ніж приріст енергії в результаті індукованого випромінювання при проходженні її уздовж трубки через активне середовище. Тому дуже важливим є якість дзеркал резонатора. Резонатор складається з плоского 5 і увігнутого 6 дзеркал з багатошаровими діелектричними покриттями (рис.3). Коефіцієнт відображення цих дзеркал дуже високий - 98-99%. Коефіцієнт пропускання світла одним дзеркалом становить близько 0,1%, а іншим - близько 0,2%. Застосування дзеркального резонатора дозволяє отримати потужний і вузький пучок світла.
Енергетичні рівні 2 і 3 атома неону володіють складною структурою, тому лазер може випромінювати до 30 різних довжин хвиль в інфрачервоному і видимому діапазонах. Дзеркала резонатора роблять багатошаровими для того, щоб створити внаслідок інтерференції необхідний коефіцієнт відбиття для однієї довжини хвилі. Таким чином, лазер випромінює строго певну довжину хвилі.
Газорозрядна трубка 1 (рис. 3) з торців закрита плоско паралельними скляними пластинками 4, встановленими під кутом Брюстера до осі трубки. Такий стан пластинок забезпечує проходження через них поляризованого випромінювання неону без втрат на відбиття і призводить до плоскої поляризації випромінювання лазера. Для створення в трубці електричного розряду в неї введені два електроди: анод 2 і катод 3. За рахунок проходження через трубку електричного струму, в середовищі Ні-Nе створюється інверсна заселеність рівнів.
Лазерні джерела світла мають ряд істотних переваг в порівнянні з іншими джерелами:
1. Лазери здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності (близько 10 -5 рад). На Місяці такий пучок, випущений з Землі, дає пляма діаметром 3 км.
2. Світло лазера має виключним видом-ве когерентністю і монохроматичністю.
3. Лазери є найпотужнішими джерелами світла. В уз-ком інтервалі спектра кратковре-менно (протягом проміжку време-ні тривалістю близько 10 -13 с) у деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання 10 17 Вт / см 2. в той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює толь-ко 7 × 10 3 Вт / см 2. причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтер-вал Dl = 10 -6 см (ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт / см2. На-напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, випромінюваної лазером, перевищує напруженість поля всередині атома.