Механизм возбуждения

Как уже было упомянуто, генерация лазерного излучения может быть достигнута, если имеется инверсия населенности двух энергетических уровней. Чтобы получить эту инверсию населенности, в лазерную среду должна быть введена энергия в соответствующей форме. Этого можно добиться различным образом, независимо от специфического лазерного процесса. Тем не менее, тот или иной метод возбуждения следует выбирать и оптимизировать специально для соответствующего типа лазера. Основные методы возбуждения – это возбуждение очень интенсивным светом, так называемая «оптическая накачка», и возбуждение электрическим газовым разрядом. В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется непосредственно электрическим током. Для возбуждения могут быть использованы также химические реакции.

Оптическая накачка

Если лазерную среду облучают интенсивным светом, то благодаря поглощению могут быть населены более высокие энергетические уровни. Этот процесс называют «оптической накачкой». В качестве источников света в большинстве случаев применяются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. Так как лампы-вспышки излучают в широком спектральном диапазоне, то лазерные среды со многими уровнями возбуждения или даже полосами возбуждения особенно подходят для оптической накачки, ибо накачка выполняется только длинами волн, которые точно соответствуют разнице энергии между двумя уровнями. Так как для стимуляции лазерного перехода используется только часть энергии возбуждения, то длина генерируемой лазерной волны всегда больше, чем длина волны возбуждения.

Рис. 16. Пример коллинеарной накачки лазера другим лазером (лазером накачки). Длина волны генерации всегда больше, чем длина волны накачки, благодаря чему луч накачки и лазерный луч могут быть разделены дисперсионной призмой.

Лазерное излучение

Лазерное излучение характеризуется тремя важными признаками (рис. 18).

1. Излучение является когерентным, т.е. все цуги волн являются синфазными, как во времени, так и в пространстве.

2. Излучение является сильно коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу. На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре.

3. Лазерное излучение является монохроматическим, т.е. все цуги волн имеют одинаковую длину волны, частоту и энергию.

а. когерентность

б. коллимированность

в. монохроматичность

Рис. 18. Графическое представление когерентности, коллимированности и монохроматичности.

Кроме того, с помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность излучения. Все эти признаки по отдельности можно обеспечить также и другими источниками света, но лазер является единственным источником света, которому присущи все три упомянутых признака одновременно. При описании лазерного пучка наряду с особенностями когерентности,коллимированности и монохроматичности важно отметить распределение интенсивности в пучке. Далее важно знать влияния оптических элементов, например, линз или зеркал на форму пучка. Так как лазерный пучок является отображением лазерного излучения в лазерном резонаторе, то распределение интенсивности поперечных электромагнитных мод (ТЕМ) резонатора обнаруживается вновь в лазерном пучке. Резонатор, работающий в основной моде (ТЕМ₀₀), излучает также лазерный пучок с основной модой ТЕМ₀₀ и т.д. Лазерный пучок имеет в этом случае в каждом месте профиль интенсивности по типу гауссовой колоколообразной кривой. Чтобы при таком распределении интенсивности можно было говорить о диаметре пучка, в качестве диаметра определяют значение, при котором интенсивность лазерного излучения снизилась в е²≈7,39 раз (рис. 19).

Рис. 19. В качестве диаметра (d) лазерного луча в основной моде принимается удвоенное расстояние от оси луча, на котором интенсивность падает в е²≈7,39 раз.

При высоких модах – ТЕМ_ln сформулировать четко определение диаметра уже нельзя, но можно исходить из того, что более высокая мода ТЕМ_lnимеет размеры больше приблизительно в или раз, если она генерирована таким же резонатором (рис. 20).

Рис. 20. Схематическое изображение распределения интенсивности поперечных мод, если не задано определенное преимущественное направление в резонаторе.

Если в лазерный пучок поместить линзу, то законы геометрической оптики дают только приблизительно правильные, а, зачастую, ложные результаты при описании хода пучка за линзой. И здесь нужно вернуться к теории изображения гауссовых пучков или к более сложным теориям многомодовых лазерных пучков. Важнейшее отличие при формировании изображений гауссовых пучков от геометрической оптики состоит в том, что перетяжка пучка на расстоянии d₀перед линзой отображается в виде новой перетяжки пучка на расстоянии fза линзой с диаметром d=4λf/pd₀. В противоположность этому при использовании геометрической оптики получается симметричное изображение 2fна 2f, и размер изображения не меняется (рис. 21).

Рис. 21. Формирование изображений в приближении геометрической оптики и в случае гауссова пучка.

Диаметр перетяжки пучка d за линзой проще определить через угол расходимости луча q (рис. 22). В этом случае выполняется соотношение: d=2qf. Для гауссова пучка значение q может быть рассчитано следующим образом:

q=2λ/pd_0.

Мощность излучения непрерывных медицинских лазеров составляет от 0,01 до 100 Вт. Если мощность лазера сконцентрировать в фокусе линзы, то в этом месте можно получить значительную плотность мощности.

Рис. 22.Упрощенно диаметр перетяжки пучка при фокусировке через линзу с фокусным расстоянии f может быть определен на основе фокусного расстояния и угла расходимости 2q перед линзой.

Плотность мощности и время воздействия являются основными параметрами лазерного пучка, определяющими его влияние на биоткань. Плотность мощности определяется как отношение мощности лазерного излучения к поперечному сечению пучка. Соотношение между такими понятиями как мощность лазера, плотность мощности, плоскость фокусировки, диаметр фокуса и фокусное расстояниелинзы должны быть обязательно понятны для каждого, кто пользуется лазером, чтобы избежать его неправильного применения. На рис. 23 еще раз графически показано соотношение между плотностью мощности лазерного луча и фокусным расстоянием линзы.

Рис. 23. Соотношение между плотностью мощности и величиной фокуса.