Лекция двадцать седьмая. СЕМНАДЦАТЬ НАИБОЛЕЕ ИЗВЕСТНЫХ ЛАЗЕРОВ

Краткие описания. Характерные особенности. Методы создания инверсии.

В предыдущих лекциях были рассмотрены наиболее интересные из существующих сейчас лазеров. Для удобства справок приведем теперь краткие описания их характерных особенностей.

Гелий-неоновый лазер (лекция 13). Генерация осуществляется в непрерывном реяшме на переходах нейтральных атомов неона. Возбуждение верхних лазерных уровней неона происходит при квазирезонансной передаче энергии возбуждения от гелия к неону в процессе неупругих столкновений, идущих с малым дефицитом энергии.

Метастабильное состояние гелия, столкновительно передающее свою энергию неону, возбуждается электронами в плазме тлеющего газового разряда. Столкновительная передача энергии эффективно возбуждает заселяемый уровень, если скорость процесса передачи заметно превышает скорость распада уровня:

что хорошо выполняется в смеси неона с гелием при отношениях их парциальпых давлений в интервале 1:5 - 1:15. Для существования инверсии в непрерывном режиме необходимо, чтобы нижний лазерный уровень быстро опустошался, т. е. чтобы эффективное время жизни верхнего уровня превышало время жизни нижнего уровня:

В гелий-неоновом лазере нижние уровни опустошаются при столкновениях со стенками газоразрядной трубки.

Для гелий-неонового лазера характерна конкуренция линий генерации на 0,63 и 3,39 мкм, которым соответствует общий стартовый уровень .

Аргоновый лазер (лекция 14). Рабочим веществом являются ионы . Генерация осуществляется в непрерывном режиме на переходах между высокорасположенными уровнями конфигураций иона аргона. Наиболее интенсивно излучение на волнах 514,5 и 488,0 нм. Инверсия создается в сильноточном капиллярном разряде низкого давления при каскадном процессе ионизации атома и последующего возбуждения иона в столкновениях с электронами разряда. Нижний лазерный уровень опустошается радиацпонно.

Для аргонового лазера характерны малый к. п. д. и высокая выходная мощность, поэтому элементы его конструкции (электроды, стенки разрядного капилляра) работают в чрезвычайно напряженном режиме.

Кадмиевый лазер (лекция 14). Генерация осуществляется в непрерывном режиме на волнах 441,6 и 325,0 нм на переходах между состояниями иона . Инверсия создается электрическим разрядом в смеси гелия с паром кадмия при столкновптельной передаче энергии возбуждения от метаста-бильного состояния атома гелия к атому кадмия, приводящей к ионизации кадмия и возбуждению иона (пеннинговская ионизация). Энергию в метастабильное состояние гелия поставляют электроны разряда.

Гелпй-кадмиевый лазер подобен гелий-неоновому лазеру по механизму возбуждения верхних лазерных уровней и аргоновому лазеру — по механизму опустошения нижних уровней.

Медный лазер (лекция 14). Рабочим веществом является пар нейтральных атомов меди. Генерация осуществляется на волнах 578,2 нм и, главным образом, 510,5 нм при переходах между уровнями конфигураций атома меди, причем верхние лазерные уровни являются резонансными, а нижние - метастабильными. Следовательно, для рабочего вещества медного лазера неравенство (14.8) имеет обратный смысл. В результате инверсия в нем может существовать только в течение времени, малого по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Это означает, что медный лазер относится к числу лазеров на самоограниченных переходах. Инверсия в нем создается газовым разрядом в смеси паров меди и буферного газа.

Электроны разряда преимущественно заселяют резонансный уровень и слабо возбуждают метастабильный уровень, заселение которого при радиационных переходах с верхнего уровня приводит к исчезновению инверсии. Генерация носит существенно импульсный характер. При скоростном импульсном разряде осуществляется режим включения усиления, в котором длительность импульса излучения может быть много короче времени жизни верхнего уровня. Частота следования импульсов генерации не

может превышать величину, обратную времени жизни нижнего уровня.

Лазеры на самоограниченных переходах характеризуются высоким значением предельного к. п. д. перехода

что обусловлено относительно низким положением метастабильного (нижнего лазерного) уровня на шкале энергии. У медного лазера .

CO2-лазер (лекции 15 и 16). Генерация осуществляется в импульсном и непрерывном режимах на колебательно-вращательных переходах в системе нижних колебательных уровнен основного электронного состояния молекулы Верхним лазерным уровнем является первое возбужденное состояние несимметричного валентного колебания , нижними лазерными уровнями служат либо первое возбужденное состояние симметричного валентного колебания , либо второе возбужденное состояние деформационного колебания . Инверсия создается, главным образом, в электрическом разряде при столкновительной передаче энергии от молекул возбуждаемых электронами разряда, а также при прямом возбуждении колебания молекулы при столкновениях с электронами.

Опустошение нижних лазерных уровней происходит столкновительно в силу высокого Сечения дезактивации деформационного колебания при столкновениях с буферным газом, в качестве которого наиболее часто используется гелий. При этом существенным является наличие резонанса Ферми уровней связывающего симметричное валентное и деформационное колебания молекулы . В наиболее распространенной рабочей смеси СО2-лазера углекислый газ излучает, азот накапливает энергию, гелий опустошает нижние лазерные уровни. Кроме того, гелий облегчает электрический разряд и охлаждает газовую смесь. Возможны также газодинамическое возбуждение и передача энергии от молекул, возбуждаемых химически.

В электроразрядных -лазерах при низком (несколько десятков торр) давлении используется продольный разряд в относительно длинных газоразрядных трубках; при высоком давлении, порядка 1 атм и выше, нашел применение поперечный разряд. При высоком давлении возможны как самостоятельный, так и несамостоятельный разряды, причем последний предпочтительнее. Разряд инициируется и поддерживается путем ионизации газа в разрядном промежутке УФ излучением, пучками быстрых электронов и т. п.

Перестройка длины волны излучения -лазера в интервале частот от 900 до осуществляется дискретно с шагом по линиям колебательно-вращательных переходов в

Р- и R-ветвях колебательных полос при давлениях, меньших нескольких атмосфер, и плавно при давлениях, превышающих 5—6 атм. В силу эффекта вращательной конкуренции практически вся энергия, запасенная в неравновес-» ном распределении частиц по уровням, может быть излучена на одной частоте.

Для СO2-лазеров характерны большой к. п. д., высокие мощность и энергия непрерывного и импульсного режимов работы.

Газодинамический лазер (лекция 16). Источником энергии излучения служит тепловая энергия равновесно нагретого молекулярного газа. Инверсия образуется при резком охлаждении газа за счет процессов колебательной релаксации, идущих с различной скоростью для различных колебательных мод многоатомной молекулы или для различных составляющих газовой смеси. Скорость охлаждения должна быть достаточно велика для того, чтобы релаксационные процессы не успели опустошить верхний лазерный уровень, оставив его населенность соответствующей высокой исходной температуре газа. В случае -лазеров это относится к релаксации энергии, накопленной на уровне молекулы в колебательно-возбужденном азоте. Вместе с тем при охлаждении доляшы пройти релаксационные процессы, опустошающие нижний лазерный уровень. В случае -лазера речь идет о колебательной релаксации деформационного колебания молекулы Требуемое быстрое охлаждение больших массовых потоков газа осуществляется газодинамически при сверхзвуковом истечении сжатого и нагретого газа в вакуум.

Для нагрева и образования может быть использовано сжигание органических топлив. Тогда вместо дорогостоящего гелия в качестве буферного газа, столкновения с атомами (молекулами) которого опустошают уровни деформационной моды целесообразно использовать пары воды, получающейся при сгорании.

Газодинамические лазеры работают как в импульсном (взрыв, ударные трубы), так и в непрерывном (горение, электронагрев) режимах.

Газодинамические лазеры, по существу, являются тепловыми машинами, непосредственно преобразующими тепловую энергию в энергию когерентного электромагнитного излучения.

Химический лазер (лекция 17). Инверсия создается при неравновесном распределении энергии между внутренними степенями свободы продуктов экзотермических химических реакций за счет энергии, выделившейся в процессе реакции, как правило на переходах между колебательными уровнями молекул в газовой фазе. Генерация реализована на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул галогеноводородных соединений, получаемых, главным образом, в ходе реакций замещения типа

Для снижения доли энергии, идущей на инициирование такого химического процесса, используются цепные самоподдерживающиеся реакции. Чем больше длина цепи реакции, тем в большей мере энергия излучения определяется запасом энергии, накопленной в исходных реагентах, и тем меньшую роль играет энергия инициирующего воздействия, играющего роль спускового крючка.

Возможны как импульсный, так и непрерывный режим работы. В импульсном режиме УФ фотодиссоциация или электронно-пучковый радиолиз инициируют цепную реакцию, протекающую достаточно быстро, с тем чтобы релаксационные процессы не успевали сбросить инверсию. Непрерывный режим возможен при сливании газов и удалении продуктов реакции прокачкой газовой смеси. При сливании взаимно нестабильных реагентов и быстром удалении продуктов реакции возможен чисто химический лазер без инициирования.

Для химических лазеров характерны следующие длины волн: . Кроме того, широко применяется резонансная передача энергии возбуждения для создания химического -лазера. Достоинством химических лазеров является возможность получения инверсии в больших объемах и при больших массовых расходах активного вещества, а также, в принципе, отсутствие необходимости заметных затрат энергии на создание инверсии в момент и на месте ее получения.

Характерной чертой этих лазеров является такой химический механизм создания инверсии, при котором энергия излучения превышает энергию инициирования химической реакции.

Фотодиссоциационный лазер (лекция 17). Инверсия достигается на переходах между электронными уровнями энергии атомов, являющихся продуктами импульсной фотодиссоциации устойчивых молекул. Примером служит йодный лазер, возбужденные атомы иода в котором получаются путем импульсного фотолиза, например по схеме

(17.33)

Излучение происходит на переходе состояния принадлежат одной и той же электронной конфигурации иода . Длина волны излучения составляет 1,315 мкм. УФ излучение немонохроматического источника диссоциирующего света поглощается в широкой молекулярной полосе, возбужденные атомы — продукты диссоциации излучают в узкой линии, характерной для атомных спектров. Фотодиссоциации могут быть подвергнуты большие объемы исходного молекулярного газа. Поэтому фотодиссоциационные лазеры перспективны для получения высокой импульсной энергии.

Характерной чертой фотодиссоциационных лазеров, сближающей их с химическими лазерами, является одновременность создания рабочего вещества и активной среды лазера.

СО-лазер (лекция 18). Генерация осуществляется на колебательно-вращательных переходах в основном электронном состоянии молекулы СО. Длины волн излучения заключены в интервале 5-6,5 мкм. Колебательное возбуждение происходит путем непосредственного заселения высших колебательных уровней молекулы СО при столкновениях с электронами газового разряда, при переходе энергии от колебательно-возбужденных молекул азота и т. п. В этом смысле СО-лазер подобен -лазеру.

В силу специфики релаксации колебательной энергии одномодового существенно ангармонического осциллятора, каким является молекула СО, полная колебательная инверсия отсутствует. В распределении населенностей по колебательным уровндм наблюдается плато. При наличии плато, т. е. при равенстве колебательных населенностей по крайней мере для двух уровней, реализуется частичная вращательная инверсия. Генерация, носящая каскадный характер (см. рис. 18.3), наблюдается только в Р-ветви. Величина плато, определяющая спектр генерируемых частот, зависит от соотношения скоростей колебательной релаксации различных колебательных уровней и определяется температурой и составом газовой смеси. При плато может простираться от до . Различия в частотах излучения на переходах с различными и задаются величиной колебательного энгармонизма и значением вращательной постоянной: молекулы СО. Каскадный характер генерации не позволяет, в отличие от -лазера, преобразовать всю накопленную энергию в излучение на одной частоте.

Суммарный по всем линиям генерации к. п. д. СО-лазера может достигать весьма больших значений. Возможна работа в импульсном и непрерывном режимах. Применение в качестве буферного газа ксенона позволяет перейти к комнаткой температуре и отпаянным системам. Характерной особенностью СО-лазера является отсутствие колебательной инверсии и каскадный характер генерации в Р-ветви колебательно-вращательных переходов.

Азотный и водородный лазеры (лекция 18). Азотный лазер работает в УФ диапазоне. Наибольшее значение имеет длина волны 337,1 нм. Инверсия создается в импульсном электрическом разряде на переходах между относительно высоко расположенными возбужденными электронными термами молекулы . Электроны разряда в соответствии с принципом Франка — Кондона при вертикальных переходах на диаграмме энергия — межъядерное расстояние столкновительно заселяют расположенный выше и о шкале энергий, но относительно неразрыхленный терм, содержащий верхние лазерные уровни. При этом более рыхлый и потому расположенный на упомянутой диаграмме правее терм меньшей энергии, содержащей нижние лазерные уровни, не заселяется. Излучение, также в соответствии с принципом Франка—Кондона,

осуществляется при радиационных вертикальных переходах из правых поворотных точек верхнего терма на нижний терм. Аналогичен механизм создания инверсии и водородного лазера, работающего в диапазоне вакуумного УФ (длина волны 116—126 нм).

Нижние лазерные уровни молекул обладают большим временем жизни, чем верхние. Поэтому азотный и водородный лазеры относятся к лазерам на самоограничениых переходах. Время существования инверсии в них мало (3—10 не для -лазера и меньше 1 не для -лазера). Поэтому инверсия создается бегущей волной возбуждения, распространяющейся синхронно с импульсом светового излучения вдоль оси лазера. В силу малости времени существования инверсии азотный и ему подобные лазеры являются суперлюминесцентными лазерами.

Характерным для азотного и водородного лазеров является разнесение каналов возбуждения и излучения в соответствии с принципом Франка — Кондона для переходов между электронными термами молекул.

Эксимерные лазеры (лекция 18). Генерация осуществляется на переходах со связывающих электронных термов (верхнее состояние) на разлетиый электронный терм (нижнее состояние) так называемых эксимерных молекул, т. е. молекул, существующих устойчиво только в возбужденном электронном состоянии. Основному электронному состоянию таких молекул соответствует разлетный терм. Примерами эксимерных молекул являются димеры атомов благородных газов, галогениды этих атомов и т. п. Наличие эксимерных молекул эквивалентно наличию инверсии. Поэтому инверсия достигается путем создания эксимерных молекул. Последнее осуществляется под действием пучка быстрых электронов или в условиях газового разряда. Опустошение нижнего лазерного уровня происходит автоматически при распаде молекул, возвратившихся в основное состояние, т. е. попавших на разлетиый терм в результате радиационных переходов.

Димеры благородных газов образуются при возбуждении и ионизации атомов пучком быстрых электронов в процессе трех-частичных соударений с невозбужденными атомами, что приводит к требованию высоких давлений, превышающих 10 атм. Моногалогениды благородных газов образуются в ходе гарпунных реакций между возбужденным атомом благородного газа и галогеном, реализующихся в бинарных столкновительных процессах, т. е. идущих при сравнительно меньших давлениях. Это дает возможность газоразрядного возбуждения таких лазеров.

Диапазон длин волн генерации эксимерных лазеров простирается от видимого света до вакуумного УФ. Наибольшее значение в применениях нашли и -лазеры, работающие на длинах волн 352, 308, 249 и 222 нм соответственно.

Характерной чертой эксимерных лазеров является автоматически реализующаяся полная незаселенность нижнего уровня.

Рубиновый лазер (лекции 19 и 20). Генерация осуществляется, главным образом, в импульсном режиме на переходах между метастабильный возбужденным и основным состояниями ионов (основной терм ), изоморфно введенных в -корунд на волне около 0,69 мкм (Д-линии люминесценции рубина). Инверсия достигается по трехуровневой схеме оптической накачки (см. рис. 19.2). Излучение немонохроматического источника тина газоразрядной лампы-вспышки эффективно поглощается на переходах из основного состояния хрома в широкие полосы (длины волн излучения накачки лежат в окрестностях 410 и 550 нм).

На резонансных уровнях энергия возбуяздения не накапливается и с большой скоростью безызлучательно переходит на метастабильное состояние (дублет ), населенность которого возрастает в силу малости скорости его распада. По мере накопления частиц на метастабильных уровнях по отношению к основному состоянию достигается стационарная инверсия

которая создается и удерживается, если верхний уровень перехода накачки заселяется быстрее, чем безызлучательно опустошается верхний уровень лазерного перехода .

Для получения инверсии необходима предварительная затрата энергии, что в трехуровневой схеме накачки рубина обусловлено необходимостью переводить из основного состояния на метастабильные уровни по крайней мере половину всех частиц.

Рубиновые лазеры обладают высокими энергетическими параметрами. В полосах накачки поглощение составляет Пороговое значение объемной плотности энергии накачки в зеленой полосе равно примерно . При сильном превышении порога в импульсах свободной генерации длительностью около объемная плотность энергии излучения составляет . Коэффициент линейного усиления в рубиновых стержнях достигает Возможны импульсно-периодический и (для высококачественных кристаллов) непрерывный режимы работы. Реализованы рубиновые лазеры с модуляцией добротности и с синхронизацией мод.

Характерной чертой рубиновых лазеров является трехуровневая схема оптической накачки.

Неодимовый лазер (лекции 19 и 20). Генерация осуществляется в импульсном и непрерывном режимах на переходах между метастабильиыми возбужденными состояниями ионов (основной терм ), изоморфно введенных в кристаллы или стекло. Инверсия достигается по четырехуровневой схеме оптической накачки (см. рис. 19.4). Немонохроматическое излучение накачки эффективно поглощается на переходах из основного состояния в совокупность нескольких относительно узких полос, из которых

происходит быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень . Этот уровень служит стартовым уровнем лазерных переходов.

Наибольшей вероятностью обладает переход . Длина волны излучения составляет 1,06 мкм. Энергетическая щель между состояниями (см. рис. 20.3) обеспечивает четырехуровневый характер цикла оптической накачки в неодимовом лазере. При высокой скорости безызлучательной передачи энергии из полос накачки на верхний лазерный уровень достигается стационарная инверсия

(19.20)

что принципиально отличается от случая рубинового лазера.

Условием положительной инверсии является требование , выполнение которого означает, что нижний лазерный уровень опустошается за счет безызлучательных переходов в основное состояние быстрее, чем заселяется переходами с верхнего лазерного уровня. Порог возникновения инверсии по накачке мал и практически отсутствует при выполнении условия применимости четырехуровневого рассмотрения цикла оптической накачки, т. е. когда нижний уровень лазерного перехода расположен выше основного состояния на .

Для неодимовых лазерных стекол характерны высокая концентрация активных центров, сильное неоднородное уширение линии усиления, возможность получения активной среды в больших объемах. Для лазеров на стекле типичен режим работы в одиночных импульсах высокой энергии. Кристаллы, главным образом иттрий-алюминиевого граната, активируются неодимом до меньших концентраций, линия усиления в них уширена значительно меньше, размеры активной среды существенно ограничены технологическими трудностями выращивания однородных кристаллов больших размеров. Лазеры на гранате с неодимом легко работают в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Характерной чертой неодимовых лазеров является четырехуровневая схема оптической накачки и высокие энергетические параметры.

Лазеры на красителях (лекция 22). Генерация осуществляется в импульсном и непрерывном режимах на переходах между уровнями возбужденного и основного синглетных состояний сложных молекул органических красителей. Обычно используются жидкие растворы красителей при высокой степени разбавления. Инверсия достигается по четырехуровневой схеме оптической накачки (см. рис. 22.2 и 22.3). Излучение накачки в процессе синглет-синглетного поглощения заселяет колебательно-вращательные состояния возбуждаемого синглетного терма. При этом в соответствии с принципом Франка — Кондона в случае

сдвинутых равновесных конфигураций возбуждаются высшие колебательные уровни.

Внутри возбуждаемого синглетного терма ироиеходит быстрая безызлучательная релаксация, и энергия возбуждения переходит на нижние колебательные уровни этого терма. С нижних уровней возбужденного терма молекула опять-таки в соответствии с принципом Франка — Кондона совершает радиационный переход на верхние колебательные уровни основного синглетного терма. Энергия излученного фотона меньше энергии поглощенного фотона накачки (стоксов сдвиг). Избыточная энергия нижних лазерных уровней релаксирует в процессе внутритермовой термализации. Принцип Франка — Кондона и быстрая (0,1-1 нс) внутри-термовая релаксация обеспечивают четырехуровневый характер цикла оптической накачки в лазерах на красителях.

Непрерывный спектр электронных термов является результатом наложения многих близколежащих колебательных состояний тяжелой многоатомной молекулы органического красителя и соответствует неоднородному уширению спектральных линий переходов между термами. При настройке резонатора на какую-то определенную частоту в пределах линии усиления в силу положительной обратной связи происходит излучательное опустошение возбужденного терма именно на этой частоте. При перестройке резонатора перестраивается частота излучения. Высокая скорость внутритермовой релаксации приводит к тому, что в одночастотное излучение перекачивается вся энергия, накопленная возбужденным термом (за вычетом стоксовых потерь).

Лазеры на красителях работают в интервале длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ излучений. Плавная перестройка длины волны излучения достигается в диапазонах шириной в несколько десятков нанометров при монохроматичности до нескольких мегагерц.

Характерной чертой лазеров на красителях является плавная перестройка длины волны излучения в сочетании с возможностью непрерывного и импульсного вплоть до субпикосекундного диапазона длительности режимов работы.

Лазеры на F-центрах (лекция 23). Схема уровней и метод получения инверсии подобны таковым в лазерах на растворах органических красителей. Рабочим веществом служат точечные дефекты структуры, являющиеся центрами окрашивания. Их спектр люминесценции расположен в области ближнего ИК излучения, где получена генерация в импульсном и непрерывном режимах, перестраиваемая плавно с диапазоном частот перестройки шириной примерно . Ширина линий усиления обусловлена интенсивным взаимодействием электронов, локализованных на дефектах, с ионами ближайшего окружения решетки кристалла, создающим колебательные уровни энергии в электронных термах. Разнообразие точечных дефектов типа анионная

вакансия — локализованный электрон и их агрегаций, являющихся центрами окрашивания в различных прозрачных кристаллах, велико. В лазерах эффективно используются, например, -центры (0,8-1,1 мкм) и -центры (1,1 — 1,3 мкм) в кристаллах .

Характерной чертой лазеров на F-центрах является использование в качестве примесных центров, погруженных в кристаллическую матрицу, собственных точечных дефектов матрицы, спектр которых позволяет осуществлять четырехуровневый цикл оптической накачки в широких линиях люминесценции ближнего ИК диапазона.

Полупроводниковые лазеры (лекции 24 и 25). Генерация осуществляется в импульсном и непрерывном режимах на межзонных рекомбинационных переходах прямозонных полупроводников. Инверсия достигается путем создания неравновесных носителей в зоне проводимости и в валентной зоне. Для получения инверсии необходимо, чтобы квазиуровни Ферми носителей находились внутри соответствующих разрешенных зон, т. е. чтобы выполнялось условие

(24.13)

В инжекционных полупроводниковых лазерах неравновесные электронно-дырочные пары создаются постоянным током, осуществляющим инжекцию носителей в область -перехода полупроводникового диода. Достижение инверсии существенно облегчается при применении в лазерных диодах сильно легированных полупроводников, электронный и дырочный газы в n- и р-областях которых глубоко вырождены. При этом большая плотность состояний в зонах приводит к высоким значениям коэффициента усиления. Ширина спектральной области, в которой возможно усиление, задается условием для частоты усиливаемых фотонов

(24.14)

Инжекциопные лазеры реализованы во многих однодолинных прямозонных полупроводниках. Одним лучших является лазер на арсениде галия ( мкм). Изготовление -переходов лазерных диодов в виде так называемых гетероструктур снижает пороговый ток инжекции и позволяет осуществлять непрерывный режим генерации при комнатной температуре. Размеры активной области диодных лазеров не превышают нескольких микрометров, поэтому излучаемая одним лазером мощность невелика и в непрерывном режиме не превосходит нескольких ватт.

Диапазон длин волн определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника. Кристаллы переменного состава позволяют перекрывать широкий диапазон. В зависимости от состава система дает излучение в области 0,63-0,90 мкм, система — в области 1,2-1,80 мкм, система GaInAs -

в области 0,9-3,4 мкм. Твердые растворы позволяют создавать лазеры до длин волн 30—40 мкм.

Плавная перестройка длины волны излучения диодного лазера возможна изменением температуры кристалла, всесторонним сжатием кристалла, магнитным полем.

Характерным для инжекционных лазеров является получение инверсии путем создания неравновесных носителей в р- и -областях полупроводникового диода накачкой постоянным током. Из этого следует компактность, большой к. п. д., малая инерционность, широкий диапазон и возможность плавной перестройки длины волны излучения полупроводниковых лазеров.

Лазеры на свободных электронах (лекция 26). Излучение наблюдается при прохождении релятивистского электронного пучка через пространственно-периодическое внешнее поле. Наиболее часто используется распространение релятивистских электронов вдоль оси так называемого ондулятора, т. е. вдоль оси магнита, поле которого постоянно во времени и периодически-переменно в пространстве. Вынужденное ондуляторное излучение возникает, когда вдоль оси ондулятора параллельно электронному пучку распространяется внешняя электромагнитная волна частоты, несколько меньшей резонансной частоты взаимодействия (см. формулу (26.7)).

Усиление излучения происходит в области локализации электронного пакета при его прохождении через ондулятор. Зеркала резонатора, в который помещен ондулятор, удерживают усиленного излучения внутри лазера до прихода в ондулятор следующего электронного пакета, после чего усиление повторяется. Многократное повторение этого процесса приводит к импульсной генерации. Длина волны излучения определяется периодом ондулятора и релятивистским фактором у:

В реальных конструкциях энергии электронов 25—50 МэВ соответствует излучение в средней части ИК диапазона.

Характерным для лазеров на свободных электронах является использование в них в качестве активной среды системы частиц, не являющейся принципиально квантовой, а допускающей классическое рассмотрение. Следствием этого является, в частности, непрерывность спектра возможных частот генерации, а значит, и легкость перестройки длины волны излучения, определяемой для этих лазеров значением энергии электронов в релятивистском пучке.

Основное содержание наших лекций было посвящено изложению физических основ квантовой электроники и рассказу о способах использования эффекта индуцированного испускания в

системах с дискретными уровнями энергии для усиления и генерации электромагнитных волн. Как уже говорилось, квантовая электроника почти исключительно является электроникой связанных состояний, электроникой, в которой монохроматические излучения генерируются преимущественно на фиксированных частотах.

Возможность перестройки частоты лазерного излучения, соответствующего переходам между связанными состояниями, возникает по мере увеличения подверженности состояния внешним воздействиям, уширяющим линию перехода. Примерами могут служить молекулярные лазеры высокого давления, лазеры на красителях или центрах окраски и т. п. Когда же степень связанности электрона резко падает и вместо уширенных внешним воздействием дискретных уровней энергии возникают широкие энергетические зоны разрешенных состояний, перестройка длины волны излучения существенно облегчается, как это видно на примере диодных полупроводниковых лазеров. Следующий шаг — это переход к свободным электронам, обладающим непрерывным спектром и потому позволяющим производить простую перестройку длины волны излучения путем изменения энергии ускоренных электронов.