Лазер (від англ. «Light amplification by stimulated emission of radiation» - «посилення світла шляхом стимулювання випромінювання») або оптичний квантовий генератор - це спеціальний тип джерела випромінювання зі зворотним зв'язком, що випромінюють тілом в якому є инверсно-населена середу. Принципи роботи лазера засновані на властивостях лазерного випромінювання: монохроматичности і високою когерентності (просторової і тимчасової). Т акже до числа особливостей випромінювання часто відносять малу кутову розбіжність (іноді можна зустріти термін «висока спрямованість випромінювання»), що, в свою чергу, дозволяє говорити про високу інтенсивність лазерного випромінювання. Таким чином, щоб зрозуміти принципи роботи лазера, необхідно поговорити про характерні властивості лазерного випромінювання і инверсно-населеної середовища - одного з трьох основних компонентів лазера.
Спектр лазерного випромінювання. Монохроматичність.
Однією з характеристик випромінювання будь-якого джерела є його спектр. Сонце, побутові освітлювальні прилади мають широкий спектр випромінювання, в якому присутні компоненти з різними довжинами хвиль. Наше око сприймає таке випромінювання як білий світ, якщо в ньому інтенсивність різних компонент приблизно однакова, або як світло з будь-яким відтінком (наприклад, в світлі нашого Сонця домінують зелена і жовта компоненти).
Лазерні джерела випромінювання, навпаки, мають дуже вузький спектр. У деякому наближенні можна сказати, що все фотони лазерного випромінювання мають одну і ту ж (або близькі) довжини хвиль. Так, випромінювання рубінового лазера, наприклад, має довжину хвилі 694.3 нм, що відповідає світлу червоного відтінку. Щодо близьку довжину хвилі (632.8 нм) має і перший газовий лазер - гелій-неоновий. Аргон-іонний газовий лазер, навпаки, має довжину хвилі 488.0 нм, що сприймається нашим оком як бірюзовий колір (проміжний між зеленим і блакитним). Лазери на основі сапфіру, легованого іонами титану, має довжину хвилі, що лежить в інфрачервоній області (зазвичай поблизу довжини хвилі 800 нм), тому його випромінювання невидиме для людини. Деякі лазери (наприклад, напівпровідникові з обертається дифракційною решіткою в якості вихідного дзеркала) можуть перебудовувати довжину хвилі свого випромінювання. Загальним для всіх лазерів, однак, є те, що основна частка енергії їх випромінювання зосереджена у вузькій спектральній області. Це властивість лазерного випромінювання і називається монохроматичністю (від грец. «Один колір»). На рис. 1 для ілюстрації даного властивості приведені спектри випромінювання Сонця (на рівні зовнішніх шарів атмосфери і на рівні моря) і напівпровідникового лазера виробництва компанії Thorlabs.
Мал. 1. Спектри випромінювання Сонця і напівпровідникового лазера.
Ступінь монохроматичности лазерного випромінювання можна охарактеризувати спектральної шириною лазерної лінії (ширина може бути задана як відбудова по довжині хвилі або частотою від максимуму інтенсивності). Зазвичай спектральна ширина задається за рівнем 1/2 (FWHM), 1 / e або 1/10 від максимуму інтенсивності. У деяких сучасних лазерних установках досягнута ширина піку випромінювання в кілька кГц, що відповідає ширині лазерної лінії менш ніж в одну мільярдну нанометра. Для фахівців відзначимо, що ширина лазерної лінії може бути на порядки вже ширини лінії спонтанного випромінювання, що також є однією з відмінних характеристик лазера (в порівнянні, наприклад, з люмінесцентними і суперлюмінесцентнимі джерелами).
Когерентність лазерного випромінювання
Монохроматичність - важливе, але не єдине властивість лазерного випромінювання. Іншим визначальним властивістю випромінювання лазера є його когерентність. Зазвичай говорять про просторової і часової когерентності.
Уявімо собі, що лазерний пучок розділений навпіл напівпрозорим дзеркалом: половина енергії пучка пройшла через дзеркало, інша половина відбилася і пішла в систему напрямних дзеркал (рис. 2). Після цього другий пучок знову зводиться з першим, але з деякою тимчасовою затримкою. Максимальний час затримки, при якому пучки можуть интерферировать (тобто взаємодіяти з урахуванням фази випромінювання, а не тільки його інтенсивності) і називається часом когерентності лазерного випромінювання, а довжина додаткового шляху, який другий пучок пройшов через свого відхилення - довжиною поздовжньої когерентності. Довжина поздовжньої когерентності сучасних лазерів може перевищувати кілометр, хоча для більшості додатків (напр., Для лазерів промислової обробки матеріалів) настільки високою просторовою когерентності лазерного пучка не потрібно.
Можна розділити лазерний пучок і по-іншому: замість напівпрозорого дзеркала поставити повністю відбивну поверхню, але перекрити їй не весь пучок, а тільки частина його (рис. 2). Тоді буде спостерігатися взаємодія випромінювання, яке поширювалося в різних частинах пучка. Максимальна відстань між точками пучка, випромінювання в яких буде интерферировать, називається довжиною поперечної когерентності лазерного пучка. Звичайно, для багатьох лазерів довжина поперечної когерентності просто дорівнює діаметру пучка лазерного випромінювання.
Мал. 2. До поясненню понять тимчасової і просторової когерентності
Кутова розбіжність лазерного випромінювання. Параметр M 2.
Як би ми не прагнули зробити пучок лазерного випромінювання паралельним, він завжди буде мати ненульову кутову розбіжність. Мінімальний можливий кут розходження лазерного випромінювання α d ( «дифракційну межу») по порядку величини визначається виразом:
α d ~ λ / D, (1)
де λ - довжина хвилі лазерного випромінювання, а D - ширина пучка, що вийшов з лазера. Легко підрахувати, що при довжині хвилі 0.5 мкм (зелене випромінювання) і ширині лазерного променя 5 мм кут розходження складе ~ 10-4 радий, або 1/200 градуса. Незважаючи на настільки мале значення, кутова розбіжність може виявитися критичним для деяких додатків (наприклад, для використання лазерів в бойових супутникових системах), оскільки воно задає верхню межу досяжною щільності потужності лазерного випромінювання.
В цілому якість лазерного пучка можна задати параметром M 2. Нехай мінімально досяжна площа плями, створюваного ідеальної лінзою при фокусуванні гауссова пучка, дорівнює S. Тоді якщо та ж лінза фокусує пучок від даного лазера в пляма площею S 1> S, параметр M 2 лазерного випромінювання дорівнює:
M 2 = S 1 / S (2)
Для найбільш якісних лазерних систем параметр M 2 близький до одиниці (зокрема, в продажу є лазери з параметром M 2, рівним 1.05). Треба, однак, мати на увазі, що далеко не для всіх класів лазерів на сьогоднішній день можна досягти низьке значення цього параметра, що треба враховувати при виборі класу лазера для конкретного завдання.
Ми коротко привели основні властивості лазерного випромінювання. Наведемо тепер на основні компоненти лазера: середу з інверсної населеністю, лазерний резонатор, накачування лазера, а також схему лазерних рівнів.
Середа з інверсної населеністю. Схема лазерних рівнів. Квантовий вихід.
Основним елементом, що перетворює енергію зовнішнього джерела (електричну, енергію нелазерних випромінювання, енергію додаткового лазера накачування) в світлову, є середовище, в якій створена інверсна населеність пари рівнів. Термін «інверсна населеність» означає, що певна частка структурних частинок середовища (молекул, атомів або іонів) переведена в збуджений стан, причому для деякої пари енергетичних рівнів цих частинок (верхній і нижній лазерний рівні) на верхньому по енергії рівні знаходиться більше частинок, ніж на нижньому.
При проході через середу з інверсної населеністю випромінювання, кванти якого мають енергію, що дорівнює різниці енергій двох лазерних рівнів, може посилюватися, при цьому знімаючи збудження частини активних центрів (атомів / молекул / іонів). Посилення відбувається за рахунок утворення нових квантів електромагнітного випромінювання, що мають ту ж довжину хвилі, напрям поширення, фазу і стан поляризації, що і вихідний квант. Таким чином, в лазері відбувається генерація пакетів однакових (рівних по енергії, когерентних і рухаються в одному напрямку) фотонів (рис. 3), що і визначає основні властивості лазерного випромінювання.
Мал. 3. Генерація когерентних фотонів при вимушеному випромінюванні.
Створити инверсно населене середовище в системі, що складається всього з двох рівнів, проте, в класичному наближенні неможливо [1] . Сучасні лазери зазвичай мають трирівневу або чотирьохрівневу систему рівнів, які беруть участь в лазерної генерації. При цьому збудження переводить структурну одиницю середовища на самий верхній рівень, з якого частинки за короткий час релаксируют до більш низького значення енергії - верхньому лазерному рівню. У лазерну генерацію втягується також один з нижчих рівнів - основний стан атома в трирівневої схемою або проміжне - в чотирирівневої (рис. 4). Чотирьохрівнева схема виявляється більш кращою в силу того, що проміжний рівень зазвичай населений набагато меншою кількістю частинок, ніж основний стан, відповідно створити інверсно населеність (перевищення числа порушених частинок над числом атомів на нижньому лазерному рівні) виявляється набагато простіше (для початку лазерної генерації потрібно повідомити середовищі менша кількість енергії).
Мал. 4. Трирівнева і чотирирівнева системи рівнів.
Таким чином, при лазерної генерації мінімальне значення повідомляється робочому середовищі енергії одно енергії збудження самого верхнього рівня системи, а генерація відбувається між двома нижележащими рівнями. Це обумовлює той факт, що ККД лазера спочатку обмежується відношенням енергії збудження до енергії лазерного переходу. Дане відношення називається квантовим виходом лазера. Варто відзначити, що зазвичай ККД лазера від електромережі в кілька разів (і в деяких випадках навіть в кілька десятків разів) нижче його квантового виходу.
Особливою структурою енергетичних рівнів мають напівпровідникові лазери. В процес генерації випромінювання в напівпровідникових лазерах залучені електрони двох зон напівпровідника, проте завдяки домішкам, що формує светоизлучающий p - n перехід, межі цих зон в різних ділянках діода виявляються зсунутими один щодо одного. Інверсна населеність в області p - n переходу в таких лазерах створюється за рахунок перетікання електронів в область переходу із зони провідності n -участка і дірок з валентної зони p -участка. Детальніше про напівпровідникових лазерах можна прочитати в спеціальній літературі.
В сучасних лазерах застосовуються різні методи створення інверсної населеності, або накачування лазера.
Накачування лазера. Способи накачування.
Щоб лазер почав генерувати випромінювання, необхідно підвести енергію до його активному середовищі, щоб створити в ній інверсно населеність. Даний процес називається накачуванням лазера. Існує кілька основних методів накачування, застосування яких в конкретному лазері залежить від роду активного середовища. Так, для ексимерних і деяких газових лазерів, що працюють в імпульсному режимі (наприклад, CO 2 - лазера) можливе порушення молекул лазерної середовища електричним розрядом. У безперервних газових лазерах для накачування можна використовувати тліючий розряд. Накачування напівпровідникових лазерів здійснюється за рахунок прикладення напруги до p - n переходу лазера. Для твердотільних лазерів можна використовувати некогерентний джерело випромінювання (лампу-спалах, лінійку або масив світлодіодів) або інший лазер, довжина хвилі якого відповідає різниці енергій основного і збудженого станів примесного атома (в твердотільних лазерах, як правило, лазерна генерація виникає на атомах або іонах домішки, розчинених в сітці матриці - наприклад, для рубінового лазера активної домішкою є іони хрому).
Узагальнюючи, можна сказати, що метод накачування лазера визначається його типом і особливостями активного центру генеруючої середовища. Як правило, для кожного конкретного типу лазерів є найбільш ефективний метод накачування, який і визначає тип і конструкцію системи підведення енергії до активному середовищі.
Резонатор лазера. Умова лазерної генерації. Стійкі і нестійкі резонатори.
Активного середовища і системи доставки до неї енергії ще недостатньо для виникнення лазерної генерації, хоча на їх основі вже можна побудувати деякі пристрої (наприклад, підсилювач або суперлюмінесцентний джерело випромінювання). Лазерна генерація, тобто випускання монохроматичного когерентного світла, виникає тільки при наявності зворотного зв'язку, або лазерного резонатора.
У найбільш простому випадку резонатор являє собою пару дзеркал, одне з яких (вихідна дзеркало лазера) є напівпрозорим. Як інший дзеркала, як правило, ставлять відбивач з коефіцієнтом відображення на довжині хвилі генерації, близьким до 100% ( «глухе дзеркало»), щоб уникнути генерації лазера «в дві сторони» і зайвої втрати енергії.
Резонатор лазера забезпечує повернення частини випромінювання назад в активне середовище. Ця умова важливо для виникнення когерентного і монохроматичного випромінювання, оскільки повернуті в середу фотони будуть викликати випромінювання однакових з собою по частоті і фазі фотонів. Відповідно, знову виникають в активному середовищі кванти випромінювання будуть когерентні з уже вийшли за межі резонатора. Таким чином, характерні властивості лазерного випромінювання забезпечуються багато в чому саме конструкцією і якістю лазерного резонатора.
Коефіцієнт відображення вихідного напівпрозорого дзеркала лазерного резонатора підбирається таким чином, щоб забезпечити максимальну вихідну потужність лазера, або виходячи з технологічної простоти виготовлення. Так, в деяких волоконних лазерах в якості вихідного дзеркала може використовуватися рівно сколений торець волоконного світловода.
Очевидним умовою стійкої лазерної генерації є умова рівності оптичних втрат в лазерному резонаторі (включаючи втрати на вихід випромінювання через дзеркала резонатора) і коефіцієнта посилення випромінювання в активному середовищі:
exp (a × 2L) = R1 × R2 × exp (g × 2L) × X, (3)
де L = довжина активної середовища, a - коефіцієнт посилення в активному середовищі, R 1 і R 2 - коефіцієнти відображення дзеркал резонатора і g - «сірі» втрати в активному середовищі (тобто втрати випромінювання, пов'язані з флуктуаціями щільності, дефектами лазерної середовища, розсіювання випромінювання та інші види оптичних втрат, які обумовлюють ослаблення випромінювання при проходженні через середовище, крім безпосередньо поглинання квантів випромінювання атомами середовища). Останній множник «X» позначає всі інші втрати, присутні в лазері (наприклад, в лазер може бути введений спеціальний поглинаючий елемент, щоб лазер генерував імпульси малої тривалості), при їх відсутності він дорівнює 1. Щоб отримати умова розвитку лазерної генерації з спонтанно випромінюють фотонів , очевидно, рівність треба замінити знаком «>».
З рівності (3) випливає наступне правило для вибору вихідного лазерного дзеркала: якщо коефіцієнт посилення випромінювання активним середовищем з урахуванням сірих втрат (a - g) × L малий, коефіцієнт відображення вихідного дзеркала R 1 повинен бути обраний великим, щоб лазерна генерація загасало з -за виходу випромінювання з резонатора. Якщо ж коефіцієнт посилення досить великий, зазвичай має сенс вибрати менше значення R 1, оскільки високий коефіцієнт відбиття буде призводити до підвищення інтенсивності випромінювання всередині резонатора, що може позначитися на часі життя лазера.
Однак резонатор лазера потребує юстування. Припустимо, що резонатор складений з двох паралельних, але не от'юстіровать дзеркал (наприклад, розташованих під кутом один до одного). В такому резонаторі випромінювання, пройшовши через активне середовище кілька разів, виходить за межі лазера (рис. 5). Резонатори, в яких випромінювання за кінцевий час виходить за його межі, називаються нестійкими. Такі резонатори використовуються в деяких системах (наприклад, в потужних імпульсних лазерах спеціальної конструкції), проте, як правило, нестійкості резонатора в практичних додатках намагаються уникнути.
Мал. 5. Нестійкий резонатор з раз'юстірованнимі дзеркалами; стійкий резонатор і
стаціонарний пучок випромінювання в ньому.
Щоб підвищити стійкість резонатора, як дзеркала використовують вигнуті поверхні, що відбивають. При певних значеннях радіусів відбивають даний резонатор виявляється нечутливим до малих порушень юстування, що дозволяє істотно спростити роботу з лазером.
Ми коротко описали мінімальний необхідний набір елементів для створення лазера і основні особливості лазерного випромінювання.