Принципы работы, типы и конструкции технологических лазеров

Принципы действия квантового генератора. Квантовая электроника основана на представлении об индуцированном или вынужденном излучении квантов. В частности, в квантовых системах, т. е. в системах с дискретными возможными состояниями, помимо спонтанных и безызлучательных переходов, могут происходить так называемые вынужденные переходы, индуцированные электромагнитным полем. Согласно гипотезе Эйнштейна, такие переходы возможны лишь во внешнем электромагнитном поле с резонансной частотой, равной частоте кванта света v₀. При этом, кроме резонансного поглощения кванта с переходом атома на более высокий энергетический уровень , возможен переход из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень с излучением двух квантов (рис. 1.4).

Такой процесс получил название вынужденного излучения. Его характерная особенность состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. совпадает с ним по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что при вынужденном излучении в световой пучок добавляются точно такие же кванты, какие «уводятся» из него в процессе резонансного поглощения. Если среда на нижнем уровне содержит большее количество атомов, чем на верхнем, то преобладает поглощение и интенсивность светового пучка ослабевает. Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладает вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет. Таким образом, усиление света может происходить лишь при отсутствии термодинамического равновесия между верхним и нижним уровнями, т. е. в неравновесной среде. Такую среду называют средой с инверсной заселенностью.

В системе, состоящей только из двух уровней (двухуровневые системы), получение стационарной инверсии невозможно. К наиболее простым системам получения инверсной заселенности относится трехуровневая. (Примером используемой в лазере активной частицы с трехуровневой системой является ион хрома в кристалле рубина.) Однако инверсная заселенность в трехуровневой системе возможна лишь в том случае, если в возбужденном состоянии находится более половины всех активных частиц. Это условие налагает серьезные требования к скорости возбуждения среды, а следовательно, и к мощности энергии накачки.

Более распространенной и не имеющей указанных недостатков является четырехуровневая схема получения инверсной заселенности. Активными частицами с четырехуровневой системой возбуждения могут быть молекулы С0₂ и СО в газовых лазерах, а также ионы неодима в твердотельных системах.

При излучении света атомы переходят с верхнего уровня на нижний, в результате генерации происходит быстрое уменьшение избытка населенности верхнего уровня. Если не восполнять это уменьшение, то действие генератора прекратится, как только избыточная населенность снизится до некоторого предельного уровня. Добиться того, чтобы верхний уровень стал более населенным, чем нижний, можно лишь с помощью специальных методов.

Способы создания инверсной заселенности активных частиц зависят не только от конкретной схемы уровней и свойств этих частиц, но и от свойств других компонент активной среды, называемой рабочим телом лазера. В качестве рабочих тел современных технологических лазеров с успехом используют газовые смеси, а также различные конденсированные среды: кристаллы, стекла, полупроводники и жидкости. Наибольшее распространение в лазерных системах получили оптический, газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки.

При использовании оптического метода накачки рабочее тело подвергается воздействию потока света, излучаемого импульсной или непрерывно действующей газоразрядной лампой. Свет лампы поглощается системой возбуждения полос или уровней активных частиц рабочего тела, после чего эта энергия возбуждения передается путем безызлучательных переходов на верхний лазерный уровень. Существенным недостатком этого метода является несоответствие спектра излучения источника и спектра поглощения активного элемента, что приводит к снижению эффективности преобразования световой энергии в энергию возбуждения среды. Оптическую накачку широко применяют для возбуждения активной среды лазеров, в качестве рабочих тел в которых используют конденсированные среды.

В случае применения газоразрядного метода возбуждения излучения активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию поддерживаемого в нем электрического разряда. Заселение уровня осуществляется в результате столкновения частиц среды между собой и с электронами газового разряда. Правильно выбрав среднюю энергию электронов путем изменения величины электрического поля и давления газа в разряде, можно не только добиться эффективного возбуждения активных частиц, но и осуществлять инверсию в больших объемах. В последнее время в связи с развитием техники для получения сильноточных пучков электронов большой интерес вызывает их использование для накачки рабочего тела. При газоразрядном методе возбуждения электроны в рабочее тело вводятся с помощью специального ускорителя.

При использовании газодинамического метода инверсная заселенность среды достигается за счет различных времен релаксации верхнего и нижнего лазерных уровней. Процесс происходит при резком увеличении объема предварительно нагретого рабочего тела с равновесной заселенностью уровней. Он отличается от других методов возбуждения среды тем, что преобразование тепловой энергии в энергию излучения осуществляется без использования электрической энергии. Возможность получения больших расходов смеси позволяет применять газодинамический метод накачки при создании технологических лазеров повышенной мощности.

В случае применения химического метода генерации излучения образование и возбуждение активных частиц среды происходит в результате протекания неравновесных химических реакций. Основное достоинство данного метода состоит в возможности осуществления накачки без использования источников теплоты и электрической энергии.

В лазерах технологического назначения в настоящее время наиболее широко используют оптические и газоразрядные методы возбуждения активной среды; кроме того, известно применение газодинамических и химических методов.

Оптический квантовый генератор, или лазер, является автоколебательной системой с положительной обратной связью. Генерация электромагнитных колебаний осуществляется источником излучения вследствие когерентного усиления в результате индуцированных квантовых переходов.

Необходимая для генерации обратная связь обеспечивается путем помещения рабочей среды в объемный резонатор, в котором возможно возбуждение стоячей волны (рис. 1.5). В рабочей среде, обладающей инверсной заселенностью, возможно усиление колебаний при проведении процессов вынужденного излучения. Резонатор можно представить в виде двух плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно.

Источником генерации излучения в лазере является спонтанное излучение возбужденных активных частиц. Спонтанно испущенные кванты, проходя через активную среду, вызывают процессы вынужденного испускания, приводящие к когерентному усилению соответствующих этим квантам электромагнитных полей. Поток света претерпевает множество отражений, при этом все лучи накладываются, усиливая друг друга, в результате чего в пространстве между зеркалами образуется стоячая волна. При ограниченных поперечных размерах среды и зеркал резонатора кванты, распространяющиеся вдоль оптической оси, максимально усиливаются. Если усиление электромагнитной волны за один полный проход резонатора превышает ее ослабление в результате выхода через полупрозрачное зеркало и внутрирезонаторных потерь, то в резонаторе возникают и поддерживаются колебания электромагнитного поля, т. е. в лазере возникает стационарная генерация и он начинает излучать электромагнитные колебания. Излучение генератора выходит наружу через полупрозрачное зеркало.