ЛАЗЕРЫ

Лазеры, разработанные Н. Г. Басовым, А. И. Прохоровым, Ч. Таунсом и др. (1954), представляют собой устройства, в которых определенными приемами создается метастабильное инверсионное состояние специально подобранной «активной среды». Освобождение избыточной энергии этой среды осуществляется либо слабым внешним воздействием — электромагнитным полем, имеющим необходимую частоту колебаний («входной сигнал»), либо производится фотонами, появившимися в этой же среде вследствие спонтанного излучения. Таким образом, лазер может работать либо как усилитель входного сигнала, либо как генератор когерентного монохроматического излучения большой мощности.

Используется несколько способов приготовления инверсионных состояний:

1) метод увеличения концентрации возбужденных атомов вещества путем сепарации (удаления из среды невозбужденных атомов);

2) метод «оптической накачки» — возбуждения атомов среды внешним излучением;

3) путем бомбардировки электронами атомов среды (например, при газовом разряде в активной среде);

4) передачей энергии возбуждения от неизлучающих атомов излучающим при тепловых столкновениях.

Рассмотрим первый способ на примере аммиачного газового лазера, схематическое устройство которого показано на рис. IV.93.

В возбужденной молекуле аммиака атом азота совершает колебания с частотой вследствие чего излучается электромагнитная волна длиной 1,26 см. В камере К газовый разряд создает смесь возбужденных и невозбужденных атомов, однако Выходящий из отверстия пучок атомов проходит через сепаратор С, в котором имеется неоднородное электрическое поле. Невозбужденные молекулы аммиака, имеющие постоянный электрический момент, частично отклоняются в сторону, вследствие чего в резонатор попадает смесь, в которой концентрация возбужденных атомов достаточно велика.

Рис. IV.93

Рис. IV,94

В резонатор (весьма точно настроенный на длину волны 1,26 см) додается слабое электромагнитное поле, колеблющееся с частотой («входной сигнал», условно обозначенный на рисунке стрелкой а). Вызванные им индуцированные переходы возбужденных атомов аммиака образуют мощный «выходной сигнал», отводимый из резонатора через волновод (стрелка б).

Метод оптической накачки используется в рубиновых лазерах. На рис. IV.94 показана схема энергетических уровней в рубине (кристалл в котором часть ионов алюминия заменена ионами хрома: 0,05% — в розовом и 0,5% — в красном рубине). На рис. IV.95 доказано, устройство самого лазера. Рубиновый стержень помещен внутри мощной газонаполненной (неоном, криптоном, ксеноном) лампы возбуждаемой импульсным разрядом конденсатора (время вспышки около 0,0005 с). Излучение этой лампы поглощенное ионами хрома, переводит их на широкие (и поэтому имеющие малое время существования, порядка уровни (этот процесс называется оптической накачкой). Из уровней I и II происходит переход на узкие метастабильные уровни III с временем существования порядка эти переходы не сопровождаются излучением. Таким образом, со временем ионы хлора оказываются в состояниях с

энергиями, соответствующими уровню III (этот уровень состоит из двух очень близких подуровней).

Для того чтобы вызвать мощное индуцированное лазерное излучение, торцы рубинного стержня (строго параллельные) тщательно шлифуются и покрываются серебром с таким расчетом, чтобы от одного торца излучение полностью отражалось, а второе было полупрозрачно. При спонтанных переходах в объеме рубина появятся фотоны, летящие в различных направлениях. Фотоны, летящие под большими углами к оси стержня, быстро покинут объем стержня (вместе с фотонами, появление которых было ими стимулировано). Фотоны, летящие в направлениях, параллельных оси стержня, будут многократно отражаться от зеркальных торцов стержня и вследствие этого вызовут большое число индуцированных переходов. Фотоны, появившиеся при переходах, движутся в том. же направлении, что и первичные, и поэтому поток фотонов, параллельных оси стержня, будет лавинообразно нарастать.

Рис. IV,95

Ввиду большой скорости фотонов и малых размеров стержня понадобится весьма малое время для перевода возбужденных ионов хрома в основное (нормальное) состояние. Образовавшийся мощный поток фотонов выходит из стержня через полупрозрачный торец. Излучение рубинового лазера состоит из дцух спектральных линий с длинами волн соответствующих переходам от каждого подуровня III на основной уровень.

Третий и четвертый способы приготовления инверсионных сред можно показать на примере гелий-неонового газового лазера непрерывного действия. На рис. IV.96, а приведена схема энергетических уровней гелия и неона, используемых в этом лазере, а на рис. IV.96,б - схема его устройства. Трубка содержит гелий при парциальном давлении около 1 мм рт. ст. и неон при давлении около Возбуждение атомов осуществляется газовым разрядом, вызванным напряжением приложенным к электродам Электроны, получившие в трубке большие скорости, при столкновениях с атомами гелия переводят их на метастбильный уровень Затем при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит передача энергии: атом гелия возвращается в нормальное состояние (без излучения), а атом неона переходит из нормального состояния на свой уровень который является метастабильным (передача энергии облегчена тем, что энергия уровня I гелия весьма близка к энергии

уровня II неона; разность энергий этих уровней переходит в кинетическую энергию атомов; для облегчения этих процессов и подобраны оптимальные значения парциальных давлений гелия и неона). Лазерное излучение соответствует переходу атомов неона с уровня II на уровень IV (когда на уровне II будет достигнута инверсионная по отношению к IV концентрация возбужденных атомов неона); излучаются инфракрасные волны длиной выходящие из установки через полупрозрачные зеркала и кварцевые окна . В дальнейшем происходят каскадные переходы: с уровня IV на уровень III с излучением характерной для неона спектральной линии и затем с уровня III на основной без излучения, с передачей энергии через столкновения другим атомам и стенкам сосуда.

Рис. IV.96 (см. скан)

Отражающий слой на зеркалах (строго параллельных между собой) состоит из большого числа (около 10) чередующихся тонких слоев 4) сернистого цинка и фтористого магния, напыленных на стеклянную или кварцевую пластинку; такой слой имеет хороший коэффициент отражения для инфракрасного излучения «Слоистые» зеркала весьма полезны при подборе необходимого коэффициента отражения для тех или иных узких участков спектра или спектральных линий.

Несколько иной принцип работы имеют полупроводниковые лазеры; на рис. IV.97 показаны расположение энергетических уровней и схематическое устройство такого лазера. В качестве активной среды (кристалл К) подбираются вещества, у которых вероятность перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием фотона велика. Таким веществом оказался арсенид галлия (GaAs), у которого путем ввода (в качестве примесей) доноров — атомов и других и акцепторов — атомов и других создаются зоны и -проводимостей. Если к граням кристалла,

параллельным плоскости -перехода, при помощи электродов приложить напряжение, то электроны из зоны будут переходить в -зону и рекомбинировать с «дырками», движущимися в обратном направлении. При этом возникает излучение, распространяющееся вдоль плоскости -перехода перпендикулярно зеркальным поверхностям и (которые предназначены для получения лазерного эффекта). Возможность образования инверсионного состояния кристалла достигается введением примесей и образованием дополнительных энергетических уровней между валентной зоной и зоной проводимости кристалла. Эти уровни локализуются вблизи атомов примесей и играют роль потенциальных ям для электронов. Кроме того, оказалось необходимым содержать кристалл при низких температурах.

Рис. IV.97

Возбуждение полупроводника (создание неравновесных концентраций носителей тока — электронов и «дырок») может производиться различными способами: 1) при помощи сильного импульсного электрического поля. Величина поля зависит от разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости, т. е. от энергетической ширины запретной зоны (и если эта ширина велика, то возникают большие тепловые потери); 2) при помощи «оптической накачки» — либо обычными источниками света (что оказалось нецелесообразным, так как длинноволновые участки спектра не приводят к возбуждению, а коротковолновые — приводят к энергетическим потерям), либо излучением от какого-нибудь (например, рубинового) лазера, что означает преобразование коротковолнового излучения возбуждающего лазера в длинноволновое излучение возбуждаемого; 3) бомбардировкой электронным пучком, что позволяет получить лазерное излучение от полупроводников в широком диапазоне длин волн. Важные исследования полупроводниковых лазеров проведены Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом, Ю. М. Поповым, О. Н. Крохиным и др.