Lazerio veikimo principas: lazerio spinduliuotės ypatybės. Kas yra lazeris? Veikimo ir taikymo principas Kai buvo išrastas lazeris

Visos medžiagos, kurioms gali būti suteikta populiacijos inversija, gali būti naudojamos kaip lazerinė terpė. Tai įmanoma naudojant šias medžiagas:

a) laisvieji atomai, jonai, molekulės, molekulių jonai dujose ar garuose;

b) skysčiuose ištirpusios dažų molekulės;

c) atomai, jonai, įterpti į kietą kūną;

d) legiruoti puslaidininkiai;

e) laisvieji elektronai.

Medijų, galinčių generuoti lazerio spinduliuotę, skaičius ir lazerio perėjimų skaičius yra labai didelis. Vien neoniniame elemente stebima apie 200 skirtingų lazerinių perėjimų. Pagal lazerinės aktyviosios terpės tipą išskiriami dujiniai, skystieji, puslaidininkiniai ir kietojo kūno lazeriai. Įdomumo dėlei reikėtų pažymėti, kad žmogaus kvėpavimas, susidedantis iš anglies dioksido, azoto ir vandens garų, yra tinkama aktyvi terpė silpnam CO 2 lazeriui, o kai kurios džino rūšys jau generavo lazerio spinduliuotę, nes turi pakankamai chinino kiekis su mėlyna fluorescencija.

Lazerio generavimo linijos žinomos nuo ultravioletinės spektro srities (100 nm) iki milimetrų bangų ilgių tolimajame infraraudonųjų spindulių diapazone. Lazeriai sklandžiai pereina į mazerius. Intensyvūs tyrimai atliekami lazerių srityje rentgeno bangų diapazone (16 pav.), Tačiau praktinę reikšmę įgijo tik dvi ar trys dešimtys lazerių rūšių. CO 2 lazeriai, argono ir kriptono jonų lazeriai, CW ir impulsiniai Nd:YAG lazeriai, CW ir impulsiniai dažų lazeriai, He-Ne lazeriai ir GaAs lazeriai dabar rado plačiausią pritaikymą medicinoje. Medicinoje vis dažniau naudojami ir eksimeriniai lazeriai, dažnio dvigubinimo Nd:YAG lazeriai, Er:YAG lazeriai ir metalo garų lazeriai.

Ryžiai. 16. Medicinoje dažniausiai taikomi lazerių tipai.

Be to, lazeriu aktyvias mediagas galima atskirti pagal tai, ar jos sudaro atskiras lazerio linijas, t.y. tik labai siaurame specifiniame bangų ilgių diapazone arba nepertraukiamai spinduliuoja plačiu bangų ilgių diapazonu. Laisvieji atomai ir jonai dėl aiškiai apibrėžtų energijos lygių turi atskiras lazerio linijas. Daugelis kietojo kūno lazerių taip pat spinduliuoja atskiromis linijomis (rubino lazeriai, Nd:YAG lazeriai). Tačiau buvo sukurti ir kietojo kūno lazeriai (spalvų centro lazeriai, aleksandrito, deimantiniai lazeriai), kurių spinduliavimo bangos ilgiai gali nuolat keistis dideliame spektriniame regione. Tai visų pirma taikoma dažų lazeriams, kuriuose ši technika yra pažengusi į didžiausią pažangą. Dėl puslaidininkių energijos lygių juostos struktūros puslaidininkiniai lazeriai taip pat neturi diskrečių aiškių lazerio generavimo linijų.

Lazeris- tai šviesos šaltinis, kurio savybės smarkiai skiriasi nuo visų kitų šaltinių (kaitrinių lempų, liuminescencinių lempų, liepsnos, natūralių šviestuvų ir pan.). Lazerio spindulys turi daugybę nuostabių savybių. Jis plinta dideliais atstumais ir turi griežtai tiesią kryptį. Spindulys juda labai siauru pluoštu su nedideliu nukrypimu (jis pasiekia mėnulį, kurio židinys yra šimtai metrų). Lazerio spindulys yra labai karštas ir gali išmušti skylę bet kurioje medžiagoje. Spindulio šviesos intensyvumas yra didesnis nei stipriausių šviesos šaltinių intensyvumas.
Lazerio pavadinimas yra angliškos frazės: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) santrumpa. šviesos stiprinimas stimuliuojama spinduliuote.
Visos lazerinės sistemos gali būti suskirstytos į grupes, priklausomai nuo naudojamos aktyviosios terpės tipo. Svarbiausi lazerių tipai yra šie:

Norint įgyvendinti elektromagnetinių bangų generavimą naudojant stiprintuvą, kaip žinoma iš radiofizikos, reikia įvesti stiprintuvo išėjimo signalą į jo įvestį ir suformuoti grįžtamojo ryšio kilpą. Optikoje toks grįžtamasis ryšys sukuriamas naudojant Fabry-Perot interferometrą, kuris sukuria rezonatorių. 1.11 pav. pateikiama lazerinio įrenginio schema, kurią sudaro: 1) aktyvioji L ilgio terpė, 2) siurblio šaltinis, pavyzdžiui, blykstės lempa, 3) du veidrodžiai su atspindžio koeficientais R1 ir R2, sudarantys Fabry-Perot interferometras.

Ryžiai. 1.11. Pagrindinė lazerio optinė schema

Lazerio generavimui būtinos trys sąlygos:

1. aktyvios terpės su populiacijos inversija buvimas, 2. grįžtamojo ryšio buvimas, 3. padidėjimo perteklius, palyginti su nuostoliais.

Lazerio generavimas prasidės tada, kai aktyviosios terpės stiprinimas kompensuos nuostolius joje, spinduliuotės stiprinimas per praėjimą aktyvioje terpėje (t. y. išėjimo ir įėjimo fotonų srauto tankių santykis) bus lygus

exp (1,12)

Jei nuostolius rezonatoriuje lemia tik veidrodžių perdavimas, tai generavimo slenkstis bus pasiektas tada, kai būsena

R1R2exp = 1 (1,13)

Ši sąlyga rodo, kad slenkstis pasiekiamas artėjant populiacijos inversijai kritiškas. Kai tik pasiekiama kritinė inversija, generacija išsivystys iš spontaniškos emisijos. Iš tiesų, fotonai, kurie spontaniškai išspinduliuojami išilgai rezonatoriaus ašies, bus sustiprinti. Šis mechanizmas yra lazerio generavimo pagrindas.

1.4.1. Atvirkštinės populiacijos sudarymo metodai.

Iki šiol svarstėme dviejų lygių sistemas, tačiau tokiose sistemose lazeravimas neįmanomas. Esant termodinaminės pusiausvyros būsenai N 1 > N 2, todėl, veikiant elektromagnetiniam laukui, priverstinių perėjimų iš apačios į viršų skaičius (1 -» 2) yra didesnis nei priverstinių perėjimų iš viršaus į apačią skaičius (2 -» 1): šiuo atveju apatinis lygis mažėja, o viršutinis didėja. Esant pakankamai dideliam elektromagnetinio lauko tūriniam energijos tankiui, lygios populiacijos gali būti išlygintos , kai priverstinių perėjimų 1 -» 2 ir 2 -» 1 skaičiai yra lygūs, t.y. atsiranda dinaminė pusiausvyra. Lygmens gyventojų išlyginimo reiškinys vadinamas pereinamasis sodrumas. Taigi, veikiant elektromagnetiniam laukui dviejų lygių sistemoje, galima pasiekti perėjimo prisotinimą, bet ne populiacijos inversiją.

1.4.1. trijų pakopų sistema.

1.12 pav. parodyta schema, rodanti optiškai pumpuojamo, trijų lygių lazerio (pavyzdžiui, rubino) veikimą. Pradinėje būsenoje visi atomai lazerinėje medžiagoje yra žemesniame lygyje 1. Siurbiant perkeliami atomai iš žemesnio lygio į 3 lygį, kuris susideda iš daugybės sublygių, kurie sudaro plačią sugerties juostą. Šis lygis leidžia kaip siurblį naudoti šaltinį su plataus spektro spinduliuote, pavyzdžiui, blykstės lempą. Dauguma sužadintų atomų greitai pereina į vidutinį 2 lygį be spinduliuotės. Bet galiausiai kvantinė sistema grįžta į žemesnį 1 lygį su fotono emisija. Šis perėjimas yra lazerinis perėjimas.

Jei siurblio intensyvumas yra mažesnis už lazerio slenkstį, tada spinduliuotė, lydinti atomų perėjimą iš 2 lygio į 1 lygį, yra spontaniška. Kai siurblio intensyvumas viršija generavimo slenkstį, spinduliuotė tampa stimuliuojama. Taip atsitinka, kai 2 lygio populiacija viršija 1 lygio populiaciją.Tai galima pasiekti, jei gyvenimo trukmė 2 lygyje yra ilgesnė nei atsipalaidavimo laikas nuo 3 lygio iki 2 lygio, t.y.

Ryžiai. 1.12. Trijų lygių lazerio energijos lygio diagrama.

N 3 atomų skaičius E 3 lygyje yra mažas, lyginant su kitų lygių atomų skaičiumi, t.y.

(1.15)

Pagrindinė trijų lygių sistemos idėja yra ta, kad atomai efektyviai pumpuojami iš 1 lygio į metastabilų 2 lygį, greitai pereinant per 3 lygį. Šiuo atveju sistema taip pat vaizduojama kaip dviejų lygių sistema. Norint generuoti, būtina, kad 2 lygio populiacija būtų didesnė už 1 lygio populiaciją. Taigi trijų lygių sistemoje lazeriniam generavimui būtina, kad daugiau nei pusė žemesnio 1 energijos lygio atomų būtų perkeltas į 2 metastabilų lygį.

1.4.2. keturių lygių sistema.

Keturių lygių lazerių sistema, pagal kurios schemą dauguma lazerių ant stiklo ir kristalų, aktyvuojamų retųjų žemių jonais, parodyta 1.13 pav.

Ryžiai. 1.13. Keturių lygių lazerio energijos lygio diagrama

Reikėtų pažymėti, kad trijų lygių sistemoje lazerio generavimas vyksta tarp sužadinto 2 lygio ir žemesnio lygio 1, kuris visada yra užpildytas. O keturių lygių sistemoje lazerinis perėjimas atliekamas į 1 lygį, kuris yra aukščiau žemesnio lygio ir kuris gali būti visai neapgyvendintas arba apgyvendintas, bet daug mažiau nei žemiausias. Taigi, norint sukurti atvirkštinę populiaciją, pakanka sužadinti nedidelį aktyvių atomų skaičių, nes jie beveik iš karto pereina į 2 lygį. Keturių lygių lazerinės sistemos generavimo slenkstis bus daug mažesnis nei trijų lygių.

Lazeris (iš anglų kalbos „šviesos stiprinimas stimuliuojama spinduliuotės emisija "-" šviesos stiprinimas stimuliuojant spinduliuotę") arba optinis kvantinis generatorius yra specialaus tipo spinduliuotės šaltinis su grįžtamuoju ryšiu, kurio spinduliuojantis kūnas yra atvirkščiai apgyvendinta terpė. Lazerio veikimo principai pagrįsti savybėmislazerio spinduliuotė: monochromatiškumas ir didelė darna (erdvinė ir laiko). TBe to, nedidelis kampinis nukrypimas dažnai priskiriamas radiacijos ypatybių skaičiui (kartais galima susidurti su terminu „didelis spinduliuotės kryptingumas“), o tai savo ruožtu leidžia kalbėti apie didelį lazerio spinduliuotės intensyvumą. Taigi, norint suprasti lazerio veikimo principus, būtina kalbėti apie būdingas lazerio spinduliuotės savybes ir atvirkščiai apgyvendintą terpę, vieną iš trijų pagrindinių lazerio komponentų.

Lazerio spinduliuotės spektras. Vienspalvis.

Viena iš bet kurio šaltinio spinduliuotės savybių yra jos spektras. Saulė, buitiniai apšvietimo prietaisai turi platų spinduliuotės spektrą, kuriame yra skirtingo bangos ilgio komponentai. Mūsų akis tokią spinduliuotę suvokia kaip baltą šviesą, jei skirtingų komponentų intensyvumas joje yra maždaug vienodas, arba kaip šviesą su tam tikru atspalviu (pavyzdžiui, mūsų Saulės šviesoje dominuoja žalia ir geltona komponentai).

Kita vertus, lazerio spinduliuotės šaltiniai turi labai siaurą spektrą. Kai kuriais apytiksliais skaičiavimais galime pasakyti, kad visi lazerio spinduliuotės fotonai turi vienodus (arba artimus) bangos ilgius. Taigi, pavyzdžiui, rubino lazerio spinduliuotės bangos ilgis yra 694,3 nm, o tai atitinka raudoną šviesą. Pirmasis dujų lazeris, helio-neonas, taip pat turi gana artimą bangos ilgį (632,8 nm). Priešingai, argono jonų dujų lazerio bangos ilgis yra 488,0 nm, kurį mūsų akys suvokia kaip turkio spalvą (tarp žalios ir mėlynos). Lazeriai, kurių pagrindą sudaro safyras, legiruotas titano jonais, turi bangos ilgį infraraudonųjų spindulių srityje (dažniausiai netoli 800 nm bangos ilgio), todėl jo spinduliuotė žmonėms nematoma. Kai kurie lazeriai (pavyzdžiui, puslaidininkiniai lazeriai su besisukančiomis difrakcijos gardelėmis kaip išėjimo veidrodžiu) gali sureguliuoti savo spinduliavimo bangos ilgį. Tačiau visiems lazeriams būdinga tai, kad didžioji jų spinduliuotės energijos dalis yra sutelkta siauroje spektrinėje srityje. Ši lazerio spinduliuotės savybė vadinama monochromatiškumu (iš graikų kalbos „viena spalva“). Ant pav. Šiai savybei iliustruoti 1 paveiksle pavaizduoti Saulės (atmosferos išorinių sluoksnių lygyje ir jūros lygyje) ir bendrovės pagaminto puslaidininkinio lazerio emisijos spektrai. Thorlabs.

Ryžiai. 1. Saulės ir puslaidininkinio lazerio spinduliavimo spektrai.

Lazerio spinduliuotės monochromatiškumo laipsnį galima apibūdinti lazerio linijos spektriniu pločiu (plotis gali būti nurodytas kaip bangos ilgio arba dažnio nukrypimas nuo intensyvumo maksimumo). Paprastai spektrinis plotis nurodomas lygiu 1/2 ( FWHM ), 1/ e arba 1/10 didžiausio intensyvumo. Kai kurios šiuolaikinės lazerinės sistemos pasiekė kelių kHz smailės plotį, o tai atitinka lazerio linijos plotį, mažesnį nei viena milijardoji nanometro dalis. Specialistams atkreipiame dėmesį, kad lazerio linijos plotis gali būti eilėmis siauresnis nei spontaniškos emisijos linijos plotis, o tai taip pat yra viena iš skiriamųjų lazerio charakteristikų (lyginant, pavyzdžiui, su liuminescenciniais ir superliuminescenciniais šaltiniais). .

Lazerio spinduliuotės koherentiškumas

Monochromatiškumas yra svarbi, bet ne vienintelė lazerio spinduliuotės savybė. Kita lazerio spinduliuotės savybė yra jo koherentiškumas. Paprastai kalbama apie erdvinę ir laiko darną.

Įsivaizduokime, kad lazerio spindulį per pusę dalija pusiau permatomas veidrodis: pusė spindulio energijos praėjo pro veidrodį, kita pusė atsispindėjo ir pateko į nukreipiančių veidrodžių sistemą (2 pav.). Po to antrasis spindulys vėl susilieja su pirmuoju, bet su tam tikru laiko vėlavimu. Didžiausia delsos trukmė, per kurią spinduliai gali trukdyti (t. y. sąveikauti atsižvelgiant į spinduliuotės fazę, o ne tik į jos intensyvumą), vadinama lazerio spinduliuotės koherentiškumo trukme ir papildomo kelio, kurį praeina antrasis spindulys, ilgiu. nuvažiuotas dėl jo įlinkio vadinamas išilginės koherencijos ilgiu. Šiuolaikinių lazerių išilginės koherencijos ilgis gali viršyti kilometrą, nors daugeliui pritaikymų (pavyzdžiui, pramoniniams medžiagų apdorojimo lazeriams) tokia didelė erdvinė lazerio pluošto koherencija nereikalinga.

Galima lazerio spindulį padalyti ir kitaip: vietoj permatomo veidrodžio uždėkite visiškai atspindintį paviršių, bet užblokuokite jį ne visą spindulį, o tik dalį (2 pav.). Tada bus stebima skirtingose ​​pluošto dalyse sklindančios spinduliuotės sąveika. Didžiausias atstumas tarp spindulio taškų, kurių spinduliuotė trukdys, vadinamas lazerio pluošto skersinės koherencijos ilgiu. Žinoma, daugeliui lazerių skersinės koherencijos ilgis yra tiesiog lygus lazerio spindulio skersmeniui.

Ryžiai. 2. Laiko ir erdvinio darnos sąvokų paaiškinimo link

Lazerio spinduliuotės kampinė divergencija. Parametras M 2 .

Nesvarbu, kaip stengiamės, kad lazerio spindulys būtų lygiagretus, jo kampinis nuokrypis visada bus lygus nuliui. Mažiausias galimas lazerio spinduliuotės divergencijos kampasα d („difrakcijos riba“) dydžio tvarka apskaičiuojama taip:

α d~ λ /D, (1)

kur λ yra lazerio spinduliuotės bangos ilgis ir D yra iš lazerio išeinančio pluošto plotis. Nesunku apskaičiuoti, kad esant 0,5 μm bangos ilgiui (žalioji spinduliuotė) ir 5 mm lazerio spindulio pločiui, divergencijos kampas bus ~10 -4 rad, arba 1/200 laipsnio. Nepaisant to, kad kampinis skirtumas yra toks mažas, kai kuriais atvejais (pavyzdžiui, naudojant lazerius palydovinėse kovos sistemose) jis gali būti labai svarbus, nes jis nustato viršutinę pasiekiamo lazerio galios tankio ribą.

Apskritai lazerio spindulio kokybę galima nustatyti pagal parametrą M2 . Tegul minimalus pasiekiamas taško plotas, sukurtas idealaus objektyvo, fokusuojant Gauso spindulį, yra lygus S . Tada, jei tas pats objektyvas sufokusuos spindulį iš nurodyto lazerio į srities tašką S 1 > S , parametras M 2 lazerio spinduliuotė yra lygi:

M 2 = S 1 / S (2)

Aukščiausios kokybės lazerinėms sistemoms parametras M2 yra artimas vienybei (ypač lazeriai su parametru M2 lygus 1,05). Tačiau reikia turėti omenyje, kad žema šio parametro reikšmė šiuo metu pasiekiama toli gražu ne visų klasių lazeriuose, į ką reikia atsižvelgti renkantis lazerio klasę konkrečiai užduočiai atlikti.

Trumpai apibendriname pagrindines lazerio spinduliuotės savybes. Dabar apibūdinkime pagrindinius lazerio komponentus: terpę su apversta populiacija, lazerio rezonatorių, lazerio siurbimą ir lazerio lygių schemą.

Vidutinė su gyventojų inversija. Lazerinių nivelyrų schema. kvantinė išvestis.

Pagrindinis elementas, paverčiantis išorinio šaltinio energiją (elektros, ne lazerio spinduliuotės energiją, papildomo siurblio lazerio energiją) į šviesos energiją, yra terpė, kurioje sukuriama apversta lygių poros populiacija. Sąvoka „populiacijos inversija“ reiškia, kad tam tikra terpės struktūrinių dalelių (molekulių, atomų ar jonų) dalis perkeliama į sužadinimo būseną, o tam tikrai šių dalelių energijos lygių porai (viršutiniam ir apatiniam lazerio lygiui) viršutiniame energijos lygyje yra daugiau dalelių nei apačioje.

Praeinant per terpę, kurioje yra apversta populiacija, gali būti sustiprinta spinduliuotė, kurios kvantų energija lygi dviejų lazerio lygių energijų skirtumui, pašalinant kai kurių aktyviųjų centrų (atomų/molekulių/jonų) sužadinimą. Stiprinimas atsiranda dėl to, kad susidaro nauji elektromagnetinės spinduliuotės kvantai, turintys tokį patį bangos ilgį, sklidimo kryptį, fazę ir poliarizacijos būseną kaip ir pirminis kvantas. Taigi lazeryje generuojami identiškų (vienodos energijos, koherentinių ir ta pačia kryptimi judančių) fotonų paketai (3 pav.), kurie lemia pagrindines lazerio spinduliuotės savybes.

Ryžiai. 3. koherentinių fotonų generavimas stimuliuojamos emisijos metu.

Tačiau klasikiniu aproksimavimu neįmanoma sukurti atvirkščiai apgyvendintos aplinkos sistemoje, kurią sudaro tik du lygiai. Šiuolaikiniai lazeriai dažniausiai turi trijų arba keturių lygių lygių sistemą, susijusią su lazerio generavimu. Šiuo atveju sužadinimas perkelia terpės struktūrinį vienetą į aukščiausią lygį, nuo kurio dalelės per trumpą laiką atsipalaiduoja į žemesnę energetinę vertę – viršutinį lazerio lygį. Lazerinėje generacijoje dalyvauja ir vienas iš žemesnių lygių – atomo pagrindinė būsena trijų lygių schemoje arba tarpinė būsena keturių lygių schemoje (4 pav.). Keturių lygių schema yra tinkamesnė dėl to, kad tarpinis lygis paprastai yra apgyvendintas daug mažesniu dalelių skaičiumi nei pagrindinėje būsenoje; atitinkamai, pasirodo, daug lengviau sukurti atvirkštinę populiaciją ( sužadintų dalelių skaičiaus perteklius virš atomų skaičiaus žemesniame lazerio lygyje) (norint pradėti lazeruoti, reikia informuoti aplinką su mažiau energijos).

Ryžiai. 4. Trijų lygių ir keturių lygių sistemos.

Taigi generuojant lazerį minimali darbo terpei perduodamos energijos vertė yra lygi aukščiausios sistemos lygio sužadinimo energijai, o generavimas vyksta tarp dviejų žemesnių lygių. Tai lemia tai, kad lazerio efektyvumą iš pradžių riboja sužadinimo energijos ir lazerio perėjimo energijos santykis. Šis santykis vadinamas kvantine lazerio išeiga. Pažymėtina, kad dažniausiai lazerio iš elektros tinklo efektyvumas yra kelis kartus (o kai kuriais atvejais net keliasdešimt kartų) mažesnis nei jo kvantinė išeiga.

Puslaidininkiniai lazeriai turi ypatingą energijos lygių struktūrą. Spinduliuotės generavimo procese puslaidininkiniuose lazeriuose dalyvauja dviejų puslaidininkių juostų elektronai, tačiau dėl priemaišų, sudarančių šviesą p - n perėjimas, šių zonų ribos skirtingose ​​diodo dalyse pasislenka viena kitos atžvilgiu. Gyventojų inversija vietovėje p - n perėjimas tokiuose lazeriuose sukuriamas dėl elektronų srauto į pereinamąją sritį iš laidumo juostos n - vieta ir skylės iš valentinės juostos p - sklypas. Daugiau informacijos apie puslaidininkinius lazerius galima rasti specializuotoje literatūroje.

Šiuolaikiniai lazeriai naudoja įvairius metodus populiacijos inversijai arba lazeriniam pumpavimui sukurti.

Lazerinis siurbimas. Siurbimo būdai.

Kad lazeris pradėtų generuoti spinduliuotę, būtina tiekti energiją į jo aktyviąją terpę, kad joje susidarytų apversta populiacija. Šis procesas vadinamas lazeriu. Yra keletas pagrindinių siurbimo būdų, kurių pritaikymas konkrečiame lazeryje priklauso nuo aktyviosios terpės tipo. Taigi, eksimeriniams ir kai kuriems dujų lazeriams, veikiantiems impulsiniu režimu (pavyzdžiui, CO2 - lazeris) galima sužadinti lazerio terpės molekules elektros iškrova. Cw dujų lazeriuose siurbimui galima naudoti švytėjimo išlydį. Puslaidininkiniai lazeriai yra pumpuojami taikant įtampą p-n lazerinis perėjimas. Kietojo kūno lazeriams galite naudoti nenuoseklų spinduliuotės šaltinį (blykstės lempą, liniuotę arba šviesos diodų masyvą) arba kitą lazerį, kurio bangos ilgis atitinka energijos skirtumą tarp priemaišos atomo pagrindo ir sužadintos būsenos. (kietojo kūno lazeriuose, kaip taisyklė, lazeris generuojamas ant matricos tinklelyje ištirpusių atomų ar jonų priemaišų - pavyzdžiui, rubino lazeriui chromo jonai yra aktyvi priemaiša).

Apibendrinant galima teigti, kad lazerinio siurbimo būdą lemia jo tipas ir generuojančios terpės aktyvaus centro ypatybės. Paprastai kiekvienam konkrečiam lazerio tipui yra efektyviausias siurbimo būdas, kuris lemia energijos tiekimo į aktyviąją terpę sistemos tipą ir dizainą.

lazerinis rezonatorius. Lazerio generavimo būklė. Stabilūs ir nestabilūs rezonatoriai.

Aktyvios terpės ir energijos tiekimo į ją sistemos vis dar nepakanka lazerių generavimui atsirasti, nors kai kurie įrenginiai jau gali būti pastatyti jų pagrindu (pavyzdžiui, stiprintuvas ar superliuminescencinis spinduliuotės šaltinis). Lazerio generavimas, t.y. monochromatinės koherentinės šviesos spinduliavimas vyksta tik esant grįžtamajam ryšiui arba lazeriniam rezonatoriui.

Paprasčiausiu atveju rezonatorius yra veidrodžių pora, iš kurių vienas (lazerio išėjimo veidrodis) yra pusiau permatomas. Kaip kitas veidrodis, kaip taisyklė, įdedamas reflektorius, kurio atspindžio koeficientas generavimo bangos ilgis yra artimas 100% („kurčias veidrodis“), kad būtų išvengta „dvipusio“ lazerio generavimo ir nereikalingų energijos nuostolių.

Lazerinis rezonatorius užtikrina dalies spinduliuotės grąžinimą atgal į aktyviąją terpę. Ši sąlyga yra svarbi koherentinei ir monochromatinei spinduliuotei atsirasti, nes į terpę grąžinti fotonai sukels tokio paties dažnio ir fazės fotonų emisiją. Atitinkamai, radiacijos kvantai, naujai atsirandantys aktyvioje terpėje, bus suderinti su tais, kurie jau peržengė rezonatorių. Taigi lazerio spinduliuotei būdingas savybes didžiąja dalimi užtikrina lazerio rezonatoriaus konstrukcija ir kokybė.

Lazerinio rezonatoriaus išėjimo pusiau permatomo veidrodžio atspindžio koeficientas parenkamas taip, kad būtų užtikrinta maksimali lazerio išėjimo galia, arba remiantis technologiniu gamybos paprastumu. Pavyzdžiui, kai kuriuose šviesolaidiniuose lazeriuose tolygiai nupjautas šviesolaidžio galas gali būti naudojamas kaip išėjimo veidrodis.

Akivaizdi stabilaus lazeravimo sąlyga yra sąlyga, kad optiniai nuostoliai lazerio ertmėje (įskaitant nuostolius dėl spinduliuotės išėjimo per ertmės veidrodžius) ir spinduliuotės padidėjimas aktyviojoje terpėje yra lygūs:

exp ( a× 2L) = R1 × R2 × exp ( g× 2L) × X, (3)

kur L = aktyvus vidutinio ilgio,ayra aktyvios terpės padidėjimas, R1 ir R2 yra rezonatorių veidrodžių atspindžio koeficientai irg- „pilkieji“ nuostoliai aktyvioje terpėje (t. y. radiacijos nuostoliai, susiję su tankio svyravimais, lazerinės terpės defektais, spinduliuotės sklaida ir kitais optiniais nuostoliais, dėl kurių susilpnėja spinduliuotė, praeinant per terpę, išskyrus tiesioginę absorbciją terpės atomų spinduliuotės kvantų). Paskutinis daugiklis X » žymi visus kitus lazeryje esančius nuostolius (pavyzdžiui, į lazerį galima įvesti specialų sugeriantį elementą, kad lazeris generuotų trumpalaikius impulsus), jei jų nėra, lygi 1. Gauti vystymosi sąlygą lazerio generavimo iš spontaniškai skleidžiamų fotonų, akivaizdu, kad lygybė turėtų būti pakeista ">".

(3) lygtis reiškia tokią išėjimo lazerinio veidrodžio pasirinkimo taisyklę: jei aktyviosios terpės spinduliuotės stiprinimo koeficientas, atsižvelgiant į pilkos spalvos nuostolius (a- g) × L mažas, išėjimo veidrodžio atspindžio koeficientas R1 turi būti parinktas didelis, kad lazeravimas nebūtų slopinamas dėl spinduliuotės iš rezonatoriaus. Jei padidėjimas yra pakankamai didelis, paprastai prasminga pasirinkti mažesnę vertę. R1 , nes dėl didelio atspindžio koeficiento padidės spinduliuotės intensyvumas rezonatoriaus viduje, o tai gali turėti įtakos lazerio tarnavimo laikui.

Tačiau lazerio ertmę reikia išlyginti. Tarkime, kad rezonatorius sudarytas iš dviejų lygiagrečių, bet nesulygiuotų veidrodžių (pavyzdžiui, išdėstytų kampu vienas kito atžvilgiu). Tokiame rezonatoriuje spinduliuotė, keletą kartų perėjusi per aktyviąją terpę, palieka lazerį (5 pav.). Rezonatoriai, kuriuose spinduliuotė per ribotą laiką peržengia savo ribas, vadinami nestabiliais. Tokie rezonatoriai naudojami kai kuriose sistemose (pavyzdžiui, specialios konstrukcijos didelės galios impulsiniuose lazeriuose), tačiau paprastai praktikoje stengiamasi išvengti rezonatoriaus nestabilumo.

Ryžiai. 5. Nestabilus rezonatorius su netaisyklingais veidrodžiais; stabilus rezonatorius ir

joje esantis stacionarus spinduliuotės pluoštas.

Siekiant padidinti rezonatoriaus stabilumą, lenkti atspindintys paviršiai naudojami kaip veidrodžiai. Esant tam tikroms atspindinčių paviršių spindulių vertėms, šis rezonatorius nejautrus mažiems poslinkiams, o tai leidžia žymiai supaprastinti darbą su lazeriu.

Trumpai apibūdinome minimalų reikalingą elementų rinkinį lazeriui sukurti ir pagrindines lazerio spinduliuotės savybes.

Pirmiausia panagrinėkime keturių lygių lazerį su, kad būtų paprasčiau, tik viena siurblio sugerties juosta (3 juosta 5.1 pav.). Tačiau tolesnė analizė išliks nepakitusi, net jei nagrinėsime daugiau nei vieną siurblio sugerties juostą (arba lygį), su sąlyga, kad atsipalaidavimas nuo šių juostų iki viršutinio lazerio 2 lygio bus labai greitas. Pažymėti

keturių lygių 0, 1, 2 ir 3 populiacijos atitinkamai per Manome, kad lazeris generuoja tik vienu rezonatoriaus režimu. Leisti būti bendras fotonų skaičius rezonatoriuje. Darant prielaidą, kad perėjimai tarp 3 ir 2 lygių bei 1 ir 0 lygių yra greiti, galime įdėti . Taigi, turime šias normų lygtis:

(5.1a) lygtyje kiekis yra bendras aktyvių atomų (arba molekulių) skaičius. (5.16) lygtyje terminas atsižvelgia į siurbimą [žr lygtis (1.10)]. Aiškios tiek optinio, tiek elektrinio siurbimo siurbimo greičio išraiškos jau buvo gautos skyriuje. 3. Toje pačioje lygtyje terminas atitinka stimuliuojamą emisiją. Stimuliuojamos emisijos greitis, kaip parodyta sk. 2 iš tiesų yra proporcingas elektromagnetinės bangos elektrinio lauko kvadratui, todėl yra proporcingas.Todėl koeficientas B gali būti laikomas stimuliuojamos spinduliuotės greičiu vienam fotonui režime. Kiekis parodo viršutinio lazerio lygio eksploatavimo laiką ir paprastai nustatomas pagal išraišką (2.123). Lygtyje (5.1 c) šis terminas atitinka fotonų skaičiaus kitimo greitį dėl stimuliuojamos emisijos. Iš tiesų, kaip jau matėme, (5.16) lygties terminas yra gyventojų skaičiaus mažėjimo greitis dėl skatinamos emisijos. Kadangi kiekvienas stimuliuojamos emisijos veiksmas sukelia fotono atsiradimą, fotonų skaičiaus padidėjimo greitis turėtų būti lygus tūriui, kurį užima režimas aktyvioje terpėje (tikslus režimo tūrio apibrėžimas pateiktas žemiau ). Galiausiai, terminas [kur yra fotono gyvavimo trukmė (žr. 4.3 skyrių)] atsižvelgia į fotonų skaičiaus sumažėjimą dėl nuostolių rezonatoriuje.

Ryžiai. 5.1. Keturių lygių lazerio energijos lygių schema.

Norint tiksliai apibrėžti režimo garsumą, reikia išsamios diskusijos, kuri pateikta B priede. Dėl to turime tokį apibrėžimą

kur yra elektrinio lauko pasiskirstymas rezonatoriaus viduje, E yra didžiausia šio lauko vertė, o integracija atliekama per aktyviosios terpės užimamą tūrį. Jeigu nagrinėsime rezonatorių su dviem sferiniais veidrodžiais, tai santykis lygus realiajai išraiškos daliai (4,95). Kaip pavyzdį tikslinga pateikti simetrinį rezonatorių, susidedantį iš dviejų veidrodžių, kurių kreivio spindulys yra daug didesnis už rezonatoriaus ilgį. Tada režimo taško dydis bus maždaug pastovus per visą rezonatoriaus ilgį ir lygus reikšmei rezonatoriaus centre. Panašiai lygiagrečių paviršių kreivio spindulys bus pakankamai didelis, o bangų frontai gali būti laikomi plokščiais. Tada iš išraiškos (4.95) gaunamam režimui

čia mes nustatome Iš išraiškų (5.2) ir (5.3) turime

kur yra aktyviosios terpės ilgis. Išvesdami šią išraišką, atsižvelgėme į tai, kad tai yra lėtai kintanti funkcija, palyginti su, kad galėtume pateikti. Taigi, keturkampio atsiradimas išraiškos (5.4) vardiklyje yra šių dviejų aplinkybių rezultatas: 1) koeficiento 1/2 buvimas yra dėl to, kad režimas turi stovinčios bangos pobūdį, taigi, remiantis pirmiau pateiktais motyvais; 2) atsiranda kitas koeficientas 1/2 dėl to, kad lauko amplitudės E dėmės dydis, o lauko intensyvumo dėmės dydis (t. y. akivaizdžiai kelis kartus mažesnis.

Prieš tęsiant svarstymą, reikėtų pažymėti, kad (5.1c) išraiška nepaiso termino, kuriame atsižvelgiama į spontanišką spinduliuotę. Tiesą sakant, kaip pažymėta sk. 1, generacija atsiranda dėl spontaniškos emisijos; todėl reikėtų tikėtis, kad (5.1) lygtys nepateikia teisingo generavimo pradžios aprašymo. Iš tiesų, jei į (5.1 c) lygtį patalpinsime laiko momentą, tada gausime , todėl generavimas negali atsirasti. Norint atsižvelgti į spontanišką emisiją, vėl galima pabandyti, pradedant nuo paprastos balanso sąlygos, pradėti svarstymą nuo termino, kuris (5.16) lygtyje įeina į terminą. Šiuo atveju gali atrodyti, kad

kad (5.1c) lygtyje terminas, kuriame atsižvelgiama į spontanišką spinduliuotę, turėtų turėti tokią formą: Tačiau tai netiesa. Tiesą sakant, kaip parodyta sek. 2.4.3 [ypač žr. (2.115) išraišką], spontaniška spinduliuotė pasiskirsto tam tikru dažnių intervalu, o jos linijos forma apibūdinama spinduliuotės funkcija, kuri prisideda prie nagrinėjamo režimo. Teisingą šio termino išraišką galima gauti tik iš kvantinio mechaninio rezonatoriaus režimo elektromagnetinio lauko svarstymo. Taip gautas rezultatas yra labai paprastas ir pamokantis. Tuo atveju, kai atsižvelgiama į spontanišką spinduliuotę, lygtis (5.1 c) transformuojama į formą

Visa tai atrodo taip, lyg prie termino, atitinkančio stimuliuojamą emisiją, pridėtume „papildomą fotoną“. Tačiau, dėl paprastumo, toliau neįvesime tokio papildomo termino, susijusio su spontaniška emisija, o manysime, kad iš pradžių rezonatoriuje jau yra nedidelis skaičius fotonų. šio nedidelio fotonų skaičiaus, kuris yra būtinas tik generacijai, įvedimas iš tikrųjų jokiu būdu neturi įtakos tolesniam svarstymui.

Dabar imkime aiškių išraiškų išvedimui dydžio B, kuris patenka į (5.16) ir (5.1 c) lygtis. Tiksli šio dydžio išraiška vėl išvesta B priede. Daugeliui praktinių tikslų tinka apytikslė išraiška, kurią galima gauti iš paprastų svarstymų. Tam laikome rezonatorių, kurio ilgis yra aktyvioji terpė, kurios ilgis turi lūžio rodiklį.Galime manyti, kad rezonatoriaus režimas susidaro dviejų bangų, sklindančių priešingomis kryptimis, superpozicija. Tebūnie aš vienos iš šių bangų intensyvumas. Pagal (1.7) išraišką, kai banga praeina per aktyviosios terpės sluoksnį, jos intensyvumas pasikeičia reikšme, kur a yra pereinamasis skerspjūvis nagrinėjamo rezonatoriaus režimo dažniu. Dabar nustatykime šiuos dydžius: ir yra dviejų rezonatorių veidrodžių perdavimo koeficientai pagal galią; - atitinkamus santykinius veidrodžių nuostolių koeficientus; 3) Г, - santykinis vidinių nuostolių per praėjimą koeficientas. Tada intensyvumo pokytis, kad rezonatorius praeitų visiškai

Čia ir yra logaritminiai nuostoliai per praėjimą dėl veidrodžių perdavimo ir yra vidiniai logaritminiai nuostoliai. Trumpumui vadinsime y, perdavimo nuostolius ir - vidinius nuostolius. Kaip paaiškės toliau, dėl eksponentinio lazerio stiprinimo pobūdžio, įrašymas su logaritminiais nuostoliais yra daug patogesnis vaizduojant nuostolius lazeriuose. Tačiau reikia pažymėti, kad nors mažoms perdavimo vertėms tai netinka didelėms perdavimo vertėms. Pateikiame pavyzdį: jei įdedame, tada gauname t.y., tuo tarpu turime Taip pat pažymėtina, kad naudojant išraiškas (5.7) galima nustatyti bendrą nuostolį per praėjimą:

Nustatę logaritminius nuostolius, reiškinius (5.7) ir (5.8) pakeičiame (5.6). Pristatome papildomą sąlygą

eksponentinė funkcija (5.6) gali būti išplėsta į laipsnių eilutę, ir gauname

Abi šios išraiškos dalis padalinkime iš laiko intervalo, per kurį šviesos banga visiškai praeina per rezonatorių,

y., pagal reikšmę kur lemia išraiška

Naudodami aproksimaciją gauname

Kadangi fotonų skaičius rezonatoriuje yra proporcingas intensyvumui, (5.12) lygtį galima palyginti su (5.1c). Šiuo atveju gauname tokias išraiškas:

Reikšmę V vadinsime efektyviuoju rezonatoriaus režimo tūriu. Atkreipkite dėmesį, kad formulė (5.136) apibendrina tai, kas buvo gauta sek. 4.3 fotono gyvavimo trukmės išraiška. Be to, rezonatoriaus tūrio išraiška (5.14) galioja tik apytiksliai. Tiesą sakant, B priedas rodo, kad (5.13a) turėtų būti naudojama griežtesnė V išraiška, būtent

čia pirmasis integralas perimamas aktyviosios terpės tūrį, o antrasis - per likusį rezonatoriaus tūrį. Tačiau atkreipiame dėmesį, kad simetriniam rezonatoriui su didelio kreivio spindulio veidrodžiais abi išraiškos (5.14) ir (5.15) pateikia

Iki šiol mūsų svarstymas buvo nukreiptas į (5.1c) lygties pagrindimą ir aiškių B išraiškų išvedimą ir išmatuotų lazerio parametrų atžvilgiu. Tačiau reikia pažymėti, kad mes taip pat nurodėme (5.1c) lygties taikymo ribas. Iš tiesų, išvedant lygtį (5.12), turėjome naudoti aproksimaciją (5.9), pagal kurią skirtumas tarp pelno ir nuostolio yra mažas. Cw lazeriui ši sąlyga visada tenkinama, nes pastovios būsenos procese (žr. 5.3.1 skyrių). Tačiau impulsiniam lazeriui sąlyga (5.9) galios tik tada, kai lazeris veikia nedideliu pertekliumi virš slenksčio. Jei sąlyga (5.9) netenkinama, tai lygtys