1. Частина I. Формування спектра генерації лазера.
2. 1.2. Спектр випромінювання в He-Ne лазері.
3. 1.3. Оптичний резонатор лазера.
4. 1.4. Когерентність лазерного випромінювання.
5. 1.5. Спектр генерації іонного лазера.
6. 1.6. Спектр генерації напівпровідникового лазера.

Автор: С.П. Воробйов ( www.holography.ru )

Частина I. Формування спектра генерації лазера.

1.1. Види спектрів.

На перший погляд лазерний пучок здається дуже простим за своєю структурою. Це практично одночастотне випромінювання, що має спектрально чистий колір: He-Ne лазер має випромінювання червоного кольору (633 нм), кадмієвий лазер випромінює синій колір (440 нм, аргоновий лазер випромінює кілька ліній в синьо-зеленій області спектра (488 нм, 514 нм і ін.), напівпровідниковий лазер - червоне випромінювання (650 нм) і т.д. насправді спектр випромінювання лазера має досить складну структуру і визначається двома параметрами - спектром випромінювання робочої речовини (для He-Ne лазера, наприклад, це червона спектральна лінія випромінювання неону, возбужденног про електричним розрядом) і резонансними явищами в оптичному резонаторі лазера.

Для порівняння, на малюнках справа наведені спектри випромінювання сонця (A) і звичайної лампочки розжарювання (B) (верхній рис.), Спектр ртутної лампи (рис. Праворуч) і сильно збільшений спектр генерації He-Ne лазера (рис. Внизу).

Спектр лампи розжарювання, як і сонячний спектр, відноситься до безперервним спектрами, які повністю заповнює видимий спектральний діапазон електромагнітного випромінювання (400-700 нм). Спектр ртутної лампи відноситься до лінійчатим спектрами, який так само заповнює весь видимий діапазон, але складається з окремих спектральних компонент різної інтенсивності. До речі, до появи лазерів монохроматичне випромінювання отримували, виділяючи окремі спектральні компоненти випромінювання ртутної лампи.

1.2. Спектр випромінювання в He-Ne лазері.

Спектр випромінювання лазера є монохроматичним, т. Е. Має дуже вузьку спектральну ширину, але, як видно з малюнка, він так само має складну структуру [9] .

Процес формування лазерного спектру розглянемо на основі добре вивченого He-Ne лазера. Історично це був перший лазер безперервної дії, що працює у видимому діапазоні спектра. Він був створений А. ДЖАВАННА в 1960 р

На рис. праворуч показані енергетичні рівні збудженої суміші гелію і неону [10] . Збуджений атом гелію або неону - це атом, у якого один або кілька електронів зовнішньої оболонки при зіткненнях з електронами і іонами газового розряду переходять на більш високі енергетичні рівні і в подальшому можуть перейти на більш низький енергетичний рівень або повернутися назад, на нейтральний рівень, з випусканням світлового кванта - фотона.

Порушення атомів проводиться електричним струмом, що проходить через газову суміш. Для He-Ne лазера це слаботоковий, тліючий розряд (типові струми розряду - 20-50 мА). Картина енергетичних рівнів і механізм випромінювання досить складні навіть для такого "класичного" лазера, яким є He-Ne лазер, тому ми обмежимося розглядом тільки основних деталей цього процесу. Атоми гелію, порушені до рівня 2S при зіткненнях з атомами неону передають їм накопичену енергію, збуджуючи їх до рівня 5S (тому гелію в газовій суміші більше, ніж неону). З рівня 5S електрони можуть перейти на ряд більш низьких енергетичних рівнів. Нас цікавить тільки перехід 5S - 3P (обидва рівня в дійсності розщеплені на ряд підрівнів через квантової природи механізмів збудження і випромінювання). Довжина хвилі випромінювання фотонів при цьому переході - 633 нм.

Відзначимо ще один важливий факт, принципово важливий для отримання когерентного випромінювання. При правильно підібраних пропорції гелію і неону, тиску суміші газів в трубці і величиною розрядного струму електрони накопичуються на рівні 5S і їх кількість перевищує кількість електронів, що знаходяться на нижньому рівні 3P. Це явище називається інверсної заселеністю рівня. Однак, це поки що не лазерне випромінювання. Це одна з спектральних ліній в спектрі випромінювання неону. Ширина спектральної лінії залежить від декількох причин, головні з яких: - кінцева ширина енергетичних рівнів (5S і 3P), що беруть участь у випромінюванні і визначається квантовим принципом невизначеності, пов'язаних з часом перебування атомів неону в збудженому стані, - розширення лінії пов'язане з постійним рухом порушених частинок в розряді під впливом електричного поля (так званий ефект Доплера). З урахуванням цих чинників ширина лінії (фахівці називають її контуром робочого переходу) дорівнює приблизно двом десятитисячним ангстрема. Для таких вузьких ліній в розрахунках зручніше використовувати її ширину в частотної області. Скористаємося формулою переходу:

d n1 = d lc / l2 (1)

де d n1 - ширина спектральної лінії в частотної області, Гц, dl - ширина спектральної лінії (0,000002 нм), l - довжина хвилі спектральної лінії (633нм), c - швидкість світла. Підставивши всі значення (в одній системі виміру), отримаємо ширину лінії 1,5 ГГц. Звичайно, таку вузьку лінію можна вважати цілком монохроматичної в порівнянні з усім спектром випромінювання неону, але назвати це когерентним випромінюванням ще не можна. Для отримання когерентного випромінювання в лазері використовується оптичний резонатор (інтерферометр).

1.3. Оптичний резонатор лазера.

Оптичний резонатор являє собою два дзеркала, що знаходяться на оптичної осі і звернених відбивають світло один до одного, рис. праворуч. Дзеркала можуть бути плоскими або сферичними. Плоскі дзеркала дуже важко юстіровать і генерація лазерного випромінювання може бути нестабільною. Резонатор з сферичними дзеркалами (конфокальний резонатор) набагато стабільніше, але пучок лазера може бути неоднорідним по перетину через складний, многомодового складу випромінювання. На практиці найчастіше використовують полуконфокальний резонатор з заднім сферичним і переднім плоским дзеркалом. Такий резонатор відносно стабільний і дає однорідний (одномодовий) пучок.

Головною властивістю будь-якого резонатора є утворення в ньому стоячих електромагнітних хвиль. У разі He-Ne лазера стоячі хвилі утворюються для випромінювання спектральної лінії неону з довжиною хвилі 633 нм. Цьому сприяє максимальний коефіцієнт відбиття дзеркал, підібраний саме для цієї довжини хвилі. У лазерних резонаторах використовуються діелектричні дзеркала з багатошаровим напиленням, що дозволяє отримати коефіцієнт відбиття 99% і вище. Як відомо, умова освіти стоячих хвиль полягає в тому, що відстань між дзеркалами має дорівнювати цілому числу півхвиль:

nl = 2L (2)

де n - ціле число або порядок інтерференції, l - довжина хвилі випромінювання всередині інтерферометра, L - відстань між дзеркалами.

З умови резонансу (2) можна отримати відстань між резонансними частотами d n2:

d n2 = c / 2L (3)

Для півтораметрового резонатора газового лазера (He-Ne лазер ЛГН-220) ця величина складає приблизно 100 МГц. Тільки випромінювання з таким частотним періодом може багаторазово відбиватися від дзеркал резонатора і посилюватися у міру проходження через инверсную середу - збуджену електричним розрядом суміш гелію і неону. Причому, що надзвичайно важливо, при проходженні цього випромінювання уздовж резонатора, його фазова структура не змінюється, що призводить до когерентним властивостями посиленого випромінювання. Цьому сприяє інверсна заселеність рівня 5S, про яку говорилося вище. Електрон з верхнього рівня переходить на нижній синхронно з фотоном, який ініціює цей перехід, тому фазові параметри хвиль, відповідних обом фотонам однакові. Така генерація когерентного випромінювання відбувається по всьому шляху випромінювання всередині резонатора. Крім того, резонансні явища призводять до набагато більшого звуження лінії випромінювання, в результаті чого найбільше посилення виходить в центрі резонансного піку.
Через певну кількість проходів інтенсивність когерентного випромінювання стає настільки високою, що перевищує природні втрати в резонаторі (розсіювання в активному середовищі, втрати на дзеркалах, дифракційну втрати і т.д.) і частина його виходить за межі резонатора. Для цього вихідний, плоске дзеркало зроблено з трохи меншим коефіцієнтом відбиття (99,6-99,7%). В результаті спектр генерації лазера має вигляд, показаний на третьому рис. зверху. Число спектральних компонент зазвичай не перевищує десяти.

Підсумуємо ще раз все чинники, що визначають частотні характеристики випромінювання лазера. Перш за все, робочий перехід характеризується природною шириною контуру. В реальних умовах за рахунок різних факторів контур уширяется. В межах розширеної лінії розміщуються резонансні лінії інтерферометра, число яких визначається шириною контуру переходу і відстанню між сусідніми піками. Нарешті, в центрі піків розташовуються надзвичайно вузькі спектральні лінії випромінювання лазера, які і визначають спектр вихідного випромінювання лазера.

1.4. Когерентність лазерного випромінювання.

Уточнимо, яку довжину когерентності забезпечує випромінювання He-Ne лазера. Скористаємося формулою, запропонованою в роботі [11] :

у міру проходження через инверсную середу - збуджену електричним розрядом суміш гелію і неону. Причому, що надзвичайно важливо, при проходженні цього випромінювання уздовж резонатора, його фазова структура не змінюється, що призводить до когерентним властивостями посиленого випромінювання. Цьому сприяє інверсна заселеність рівня 5S, про яку говорилося вище. Електрон з верхнього рівня переходить на нижній синхронно з фотоном, який ініціює цей перехід, тому фазові параметри хвиль, відповідних обом фотонам однакові. Така генерація когерентного випромінювання відбувається по всьому шляху випромінювання всередині резонатора. Крім того, резонансні явища призводять до набагато більшого звуження лінії випромінювання, в результаті чого найбільше посилення виходить в центрі резонансного піку.

dt = d n-1 (4)

де dt - час когерентності, що представляє собою верхню межу тимчасового інтервалу, на якому амплітуда і фаза монохроматичної хвилі є постійними. Перейдемо до звичної для нас довжині когерентності l, за допомогою якої легко оцінювати глибину записується на голограмі сцени:

l = c / d n (5)

Підставляючи дані в формулу (5), в т.ч., повну ширину спектра d n1 = 1,5 ГГц, отримаємо довжину когерентності 20 см. Це досить близько до реальної довжині когерентності He-Ne лазера, що має неминучих втрат випромінювання в резонаторі. Вимірювання довжини когерентності за допомогою інтерферометра Майкельсона дають величину 15-17 см (на рівні 50% -го зменшення амплітуди інтерференційної картини). Цікаво оцінити довжину когерентності окремої спектральної компоненти, виділеної резонатором лазера. Ширина резонансного піку інтерферометра d n3 (див. Третій зверху рис.) Визначається його добротністю і дорівнює приблизно 0,5 МГц. Але, як говорилося вище, резонансні явища призводять до ще більшого звуження лазерної спектральної лінії d n4, що формується поблизу центру резонансного піку інтерферометра (третій зверху рис.). Теоретичний розрахунок дає ширину лінії вісім тисячних герца! Однак ця величина не має великого практичного сенсу, так як для тривалого існування такої вузької спектральної компоненти необхідні значення механічної стабільності резонатора, теплового дрейфу і інших параметрів, які абсолютно неможливі в реальних умовах експлуатації лазера. Тому ми обмежимося шириною резонансного піку інтерферометра. Для ширини спектра 0,5 МГц довжина когерентності, розрахована за формулою (5) дорівнює 600 м. Це теж дуже непогано. Залишається тільки виділити одну спектральну компоненту, оцінити її потужність і утримати її на одному місці. Якщо ж вона за час експонування голограми "пройдеться" по всьому робочому контуру (з причини, наприклад, температурної нестабільності резонатора), ми знову отримаємо ті ж 20 см когерентності.

1.5. Спектр генерації іонного лазера.

Розповімо коротко про спектрі генерації іншого газового лазера - аргонового. Цей лазер, як і криптонові, відноситься до іонних лазерів, тобто в процесі генерації когерентного випромінювання беруть участь вже не атоми аргону, а їх іони, т. е. атоми, один або кілька електронів зовнішньої оболонки якого відірвані під впливом потужного дугового розряду, який проходить через активну речовину. Струм розряду досягає декількох десятків ампер, електрична потужність блоку живлення - кілька десятків кіловат. Необхідно обов'язкове інтенсивне водяне охолодження активного елементу, інакше станеться його теплове руйнування. Природно, в таких жорстких умовах картина збудження атомів аргону ще складніша. Виникає генерація відразу декількох лазерних спектральних лініях, ширина робочого контуру кожної з них істотно більше ширини контору лінії He-Ne лазера і становить кілька гігагерц. Відповідно, довжина когерентності лазера зменшується до кількох сантиметрів. Для запису голограм великого формату необхідна частотна селекція спектра генерації, про що піде мова в другій частині цієї статті.

1.6. Спектр генерації напівпровідникового лазера.

Перейдемо до розгляду спектра генерації напівпровідникового лазера, що представляє великий інтерес для процесу навчання голографії і для початківців голографістов. Історично першими були розроблені інжекційні напівпровідникові лазери на основі арсеніду Галія, рис. праворуч.

Так як його конструкція досить проста, розглянемо принцип роботи напівпровідникового лазера на його прикладі. Активною речовиною, в якому відбувається генерація випромінювання, є монокристал арсеніду Галія, що має форму параллепіпед зі сторонами довжиною кілька сотень мікрон. Дві бічні грані робляться паралельними і поліруються з високим ступенем точності. За рахунок великого показника заломлення (n = 3,6), на кордоні кристал-повітря виходить досить великий коефіцієнт відображення (близько 35%), що досить для отримання генерації когерентного випромінювання без додаткового напилювання відображають дзеркал. Дві інші грані кристала скошені під деяким кутом; через них вимушене випромінювання не виходить. Генерація когерентного випромінювання відбувається в pn переході, який створюється шляхом дифузії акцепторних домішок (Zn, Cd і ін.) В область кристала, легированную донорними домішками (Te, Se і ін.). Товщина активної області в перпендикулярному до pn переходу напрямку становить близько 1 мкм. На жаль, в такій конструкції напівпровідникового лазера порогова щільність струму накачування виявляється досить великий (близько 100 тис. Ампер на 1 кв.см.). Тому цей лазер миттєво руйнується при роботі в безперервному режимі при кімнатній температурі і вимагає сильного охолодження. Лазер стабільно працює при температурі рідкого азоту (77 K) або гелію (4,2K).

Сучасні напівпровідникові лазери роблять на базі подвійних гетеропереходов, рис. праворуч. У такій структурі порогову щільність струму вдалося зменшити на два порядки, до 1000 А / см. кв. При такій щільності струму можлива стабільна робота напівпровідникового лазера і при кімнатній температурі. Перші зразки лазерів працювали в інфрачервоному діапазоні (850 нм). При подальшому вдосконаленні технології формування напівпровідникових шарів, з'явилися лазери як зі збільшеною довжиною хвилі (1.3 - 1,6 мкм) для оптоволоконних ліній зв'язку, так і з генерацією випромінювання у видимій області (650 нм). Вже існують лазери, що випромінюють в синій області спектра. Великою перевагою напівпровідникових лазерів є їх високий ККД (співвідношення енергії випромінювання до електричної енергії накачування), яке доходить до 70%. Для газових лазерів, як для атомарних, так і іонних, ККД не перевищує 0,1%.

У зв'язку зі специфікою процесу генерації випромінювання в напівпровідниковому лазері, ширина спектра випромінювання набагато більше ширини спектра He-Ne лазера, рис. праворуч.

Ширина робочого контуру складає близько 4 нм. Число спектральних гармонік може досягати декількох десятків. Це накладає серйозне обмеження на довжину когерентності лазера. Якщо скористатися формулами (1), (5), теоретична довжина когерентності складе всього 0,1 мм. Однак, як показали прямі вимірювання довжини когерентності на інтерферометрі Майкельсона і запис відображають голограм, реальна довжина когерентності напівпровідникових лазерів доходить до 4-5 см. Це говорить про те, що реальний спектр генерації напівпровідникового лазера не так багатий гармоніками і має не таку велику ширину контура робочого переходу, як передбачає теорія. Однак, справедливості заради, варто зауважити, що ступінь когерентності випромінювання напівпровідникових лазерів сильно змінюється як від зразка до зразка, так і від режиму його роботи (величина струму накачування, умови охолодження і т.д.