Laser — zařízení a princip činnosti

Normální chování světla při průchodu médiem

Normálně, když světlo prochází médiem, jeho intenzita klesá. Číselnou hodnotu tohoto útlumu lze zjistit z Bouguerova zákona:

V této rovnici je kromě intenzit světla I vstupujícího a vystupujícího z média také faktor zvaný lineární koeficient absorpce světla média. V tradiční optice je tento koeficient vždy kladný.

Negativní absorpce světla

Co když je z nějakého důvodu koeficient absorpce záporný? Co pak? Při průchodu médiem dojde k zesílení světla; ve skutečnosti bude médium vykazovat negativní absorpci.

Podmínky pro pozorování takového obrazu mohou být vytvořeny uměle. Teoretickou koncepci týkající se cesty k realizaci navrhovaného jevu formuloval v roce 1939 sovětský fyzik Valentin Alexandrovič Fabrikant.

V průběhu analýzy hypotetického média zesilujícího světlo, které jím prochází, Fabrikant navrhl princip zesilování světla. A v roce 1955Sovětští fyzici Nikolaj Genadijevič Basov a Alexandr Michajlovič Prochorov aplikovali tuto Fabrikantovu myšlenku na radiofrekvenční oblast elektromagnetického spektra.

Zvažte fyzickou stránku možnosti negativní absorpce. V idealizované podobě lze energetické hladiny atomů znázornit jako čáry – jako by atomy v každém stavu měly pouze přesně definované energie E1 a E2. To znamená, že při přechodu ze stavu do stavu atom buď vyzařuje nebo pohlcuje výhradně monochromatické světlo přesně definované vlnové délky.

Jenže realita má k ideálu daleko a ve skutečnosti energetické hladiny atomů mají určitou konečnou šířku, to znamená, že to nejsou čáry přesných hodnot. Při přechodech mezi hladinami tedy bude existovat i určitý rozsah emitovaných nebo absorbovaných frekvencí dv, který závisí na šířce energetických hladin, mezi kterými přechod probíhá. Hodnoty E1 a E2 lze použít k označení pouze středních energetických hladin atomu.

Takže, protože jsme předpokládali, že E1 a E2 jsou středy energetických hladin, můžeme uvažovat atom v těchto dvou stavech. Nechť E2>E1. Atom může buď absorbovat nebo emitovat elektromagnetické záření, když prochází mezi těmito úrovněmi. Předpokládejme, že atom v základním stavu E1 absorboval vnější záření s energií E2-E1 a přešel do excitovaného stavu E2 (pravděpodobnost takového přechodu je úměrná Einsteinovu koeficientu B12).

V excitovaném stavu E2 atom pod vlivem vnějšího záření s energií E2-E1 emituje kvantum s energií E2-E1 a je nucen přejít do základního stavu s energií E1 (pravděpodobnost takového přechodu je úměrná Einsteinův koeficient B21).

Pokud paralelní paprsek monochromatického záření o objemové spektrální hustotě w (v) prochází látkou, jejíž vrstva má jednotkovou plochu průřezu a tloušťku dx, pak se jeho intenzita změní o hodnotu:

Zde n1 je koncentrace atomů ve stavech E1, n2 je koncentrace atomů ve stavech E2.

Dosazením podmínek na pravé straně rovnice za předpokladu, že B21 = B12 a následným dosazením výrazu za B21 získáme rovnici pro změnu intenzity světla při úzkých energetických hladinách:

V praxi, jak již bylo zmíněno výše, energetické hladiny nejsou nekonečně úzké, takže je třeba brát v úvahu jejich šířku. Abychom článek nezahltili popisem transformací a hromadou vzorců, jednoduše si všimneme, že zadáním frekvenčního rozsahu a následnou integrací přes x dostaneme vzorec pro zjištění skutečného absorpčního koeficientu průměru:

Protože je zřejmé, že za podmínek termodynamické rovnováhy je koncentrace n1 atomů v nižším energetickém stavu E1 vždy větší než koncentrace n2 atomů ve vyšším stavu E2, negativní absorpce je za normálních podmínek nemožná, nelze ji zesílit světlo jen tím, že procházíte skutečným prostředím bez dalších opatření...

Aby byla negativní absorpce možná, je nutné vytvořit podmínky, kdy koncentrace atomů v excitovaném stavu E2 v médiu bude větší než koncentrace atomů v základním stavu E1, to znamená, že je nutné organizovat obrácené rozložení atomů v prostředí podle jejich energetických stavů.

Potřeba energetického čerpání prostředí

K uspořádání převrácené populace energetických hladin (k získání aktivního média) se používá čerpání (např. optické nebo elektrické). Optické čerpání zahrnuje absorpci záření směrovaného na ně atomy, díky čemuž tyto atomy přecházejí do excitovaného stavu.

Elektrické čerpání v plynném prostředí zahrnuje excitaci atomů nepružnými srážkami s elektrony v plynovém výboji. Podle Fabrikanta je třeba některé nízkoenergetické stavy atomů eliminovat pomocí molekulárních nečistot.

Získat aktivní médium pomocí optického čerpání ve dvouúrovňovém médiu je prakticky nemožné, protože kvantitativně budou přechody atomů za jednotku času ze stavu E1 do stavu E2 a naopak (!) v tomto případě ekvivalentní, což znamená, že je nutné uchýlit se alespoň k třístupňovému systému.

Zvažte třístupňový čerpací systém. Nechejte na prostředí působit vnější záření s energií fotonu E3-E1, zatímco atomy v prostředí přecházejí ze stavu s energií E1 do stavu s energií E3. Z energetického stavu E3 jsou možné spontánní přechody do stavu E2 a do E1. Pro získání převrácené populace (když je v daném médiu více atomů s úrovní E2), je nutné, aby úroveň E2 měla delší životnost než E3. K tomu je důležité dodržovat následující podmínky:

Splnění těchto podmínek bude znamenat, že atomy ve stavu E2 zůstanou déle, to znamená, že pravděpodobnost spontánních přechodů z E3 do E1 a z E3 do E2 převyšuje pravděpodobnost spontánních přechodů z E2 do E1. Pak se ukáže, že úroveň E2 bude trvat déle a takový stav na úrovni E2 lze nazvat metastabilním. Proto, když světlo s frekvencí v = (E3 — E1) / h prochází takto aktivním prostředím, bude toto světlo zesíleno. Podobně lze použít čtyřúrovňový systém, pak bude úroveň E3 metastabilní.

Laserové zařízení

Laser tedy obsahuje tři hlavní komponenty: aktivní médium (ve kterém se vytváří populační inverze energetických hladin atomů), čerpací systém (zařízení pro získání populační inverze) a optický rezonátor (zesilující záření). mnohokrát a tvoří směrovaný paprsek výstupu). Aktivním prostředím může být pevná látka, kapalina, plyn nebo plazma.

Čerpání se provádí kontinuálně nebo pulzně. Při nepřetržitém čerpání je dodávka média omezena přehřátím média a důsledky tohoto přehřátí. Při pulzním čerpání se užitečná energie přiváděná po částech do média získává spíše díky velkému výkonu každého jednotlivého pulzu.

Různé lasery — různé čerpání

Pevné lasery jsou čerpány ozařováním pracovního média silnými plynovými výboji, fokusovaným slunečním světlem nebo jiným laserem.To je vždy pulzní čerpání, protože výkon je tak vysoký, že se pracovní tyč při nepřetržitém působení zbortí.

Kapalinové a plynové lasery jsou pumpovány elektrickým výbojem.Chemické lasery předpokládají výskyt chemických reakcí ve svém aktivním prostředí, v důsledku čehož se převrácená populace atomů získává buď z produktů reakce, nebo ze speciálních nečistot s vhodnou hladinovou strukturou.

Polovodičové lasery jsou čerpány dopředným proudem přes pn přechod nebo elektronovým paprskem. Kromě toho existují takové způsoby čerpání, jako je fotodisociace nebo metoda dynamiky plynu (náhlé ochlazení zahřátých plynů).

Optický rezonátor — srdce laseru

Optický rezonátor je soustava dvojice zrcadel, v nejjednodušším případě dvou zrcadel (konkávních nebo rovnoběžných) upevněných proti sobě a mezi nimi podél společné optické osy je aktivní prostředí ve formě krystalu, resp. kyveta s plynem. Fotony, které procházejí médiem pod úhlem, jej opouštějí stranou a ty, které se pohybují podél osy, jsou několikrát odráženy, jsou zesíleny a vystupují přes průsvitné zrcadlo.

To vytváří laserové záření — paprsek koherentních fotonů — přísně směrovaný paprsek. Při jednom průchodu světla mezi zrcadly musí velikost zisku překročit určitou prahovou hodnotu — velikost ztráty záření druhým zrcadlem (čím lépe zrcadlo propouští, tím vyšší musí být tento práh).

Aby bylo zesílení světla prováděno efektivně, je nutné nejen zvýšit dráhu světla uvnitř aktivního prostředí, ale také zajistit, aby vlny opouštějící rezonátor byly ve fázi navzájem, pak rušivé vlny budou poskytovat maximální možná amplituda.

K dosažení tohoto cíle je nutné, aby každá z vln v rezonátoru vracející se do bodu na zdrojovém zrcadle a obecně v libovolném bodě aktivního prostředí byla ve fázi s primární vlnou po libovolném počtu dokonalých odrazů. . To je možné, když optická dráha, kterou vlna projde mezi dvěma návraty, splňuje podmínku:

kde m je celé číslo, v tomto případě bude fázový rozdíl násobkem 2P:

Nyní, protože se každá z vln liší fázově od předchozí o 2pi, znamená to, že všechny vlny opouštějící rezonátor budou navzájem ve fázi, což bude interferovat s maximální amplitudou. Rezonátor bude mít na výstupu téměř monochromatické paralelní záření.

Činnost zrcadel uvnitř rezonátoru zajistí zesílení módů odpovídajících stojatým vlnám uvnitř rezonátoru; ostatní režimy (vznikající kvůli zvláštnostem reálných podmínek) budou oslabeny.

Rubínový laser — první pevné skupenství

První polovodičové zařízení sestrojil v roce 1960 americký fyzik Theodore Maiman. Byl to rubínový laser (rubín — Al2O3, kde některá místa mřížky — do 0,5 % — jsou nahrazena třikrát ionizovaným chromem; čím více chromu, tím tmavší barva rubínového krystalu).

První úspěšný pracovní laser navržený Dr. Tedem Maymanem v roce 1960.

Rubínový válec z maximálně homogenního krystalu o průměru 4 až 20 mm a délce 30 až 200 mm je umístěn mezi dvěma zrcadly vyrobenými ve formě vrstev stříbra nanesených na pečlivě vyleštěné konce tohoto. válec. Plynová výbojka ve tvaru spirály obklopuje válec po celé jeho délce a je napájena vysokým napětím přes kondenzátor.

Když je lampa zapnutá, rubín je intenzivně ozářen, zatímco atomy chrómu se pohybují z úrovně 1 na úroveň 3 (v tomto excitovaném stavu jsou méně než 10-7 sekund), zde s největší pravděpodobností přecházejí do úroveň 2 jsou realizovány — na metastabilní úroveň. Přebytečná energie se přenáší do rubínové krystalové mřížky. Spontánní přechody z úrovně 3 do úrovně 1 jsou bezvýznamné.

Přechod z úrovně 2 na úroveň 1 je zakázán pravidly výběru, takže doba trvání této úrovně je asi 10-3 sekund, což je 10 000krát déle než na úrovni 3, v důsledku toho se atomy hromadí v rubínu s úrovní 2 — toto je obrácená populace úrovně 2.

Spontánně vznikající během spontánních přechodů mohou fotony způsobit nucené přechody z úrovně 2 do úrovně 1 a vyvolat lavinu sekundárních fotonů, ale tyto spontánní přechody jsou náhodné a jejich fotony se šíří chaoticky, většinou opouštějí rezonátor jeho boční stěnou.

Ale ty z fotonů, které dopadnou na osu, podléhají mnohonásobným odrazům od zrcadel, což současně způsobuje nucenou emisi sekundárních fotonů, které opět vyvolávají stimulovanou emisi, a tak dále. Tyto fotony se budou pohybovat podobným směrem jako primární a tok podél osy krystalu se bude zvětšovat jako lavina.

Znásobený tok fotonů bude vycházet bočním průsvitným zrcadlem rezonátoru ve formě přísně směrovaného světelného paprsku kolosální intenzity. Rubínový laser pracuje na vlnové délce 694,3 nm, přičemž pulzní výkon může být až 109 W

Neonový laser s heliem

Hélium-neonový (helium / neon = 10/1) laser je jedním z nejoblíbenějších plynových laserů. Tlak ve směsi plynů je asi 100 Pa.Neon slouží jako aktivní plyn, produkuje fotony o vlnové délce 632,8 nm v kontinuálním režimu. Funkcí helia je vytvořit reverzní populaci z jedné z vyšších energetických hladin neonu. Šířka spektra takového laseru je asi 5 * 10-3 Hz Koherenční délka 6 * 1011 m, doba koherence 2 * 103 ° C.

Při pumpování helium-neonového laseru indukuje vysokonapěťový elektrický výboj přechod atomů helia do metastabilního excitovaného stavu hladiny E2. Tyto atomy helia se neelasticky srážejí s atomy neonu v základním stavu E1 a přenášejí svou energii. Energie hladiny E4 neonu je vyšší než hladina E2 helia o 0,05 eV. Nedostatek energie je kompenzován kinetickou energií atomových srážek. V důsledku toho se na úrovni E4 neonu získá inverzní populace vzhledem k úrovni E3.

Typy moderních laserů

Podle stavu aktivního prostředí se lasery dělí na: pevné, kapalné, plynové, polovodičové a také krystalové. Podle způsobu čerpání mohou být: optické, chemické, výbojové. Podle povahy generace se lasery dělí na: kontinuální a pulzní. Tyto typy laserů emitují záření ve viditelné oblasti elektromagnetického spektra.

Optické lasery se objevily později než ostatní. Jsou schopny generovat záření v blízké infračervené oblasti, takové záření (o vlnové délce až 8 mikronů) je velmi vhodné pro optické komunikace. Optické lasery obsahují vlákno, do jehož jádra bylo zavedeno několik iontů vhodných prvků vzácných zemin.

Světlovod se stejně jako u ostatních typů laserů instaluje mezi dvojici zrcadel.Pro čerpání je do vlákna přiváděno laserové záření o požadované vlnové délce, takže ionty prvků vzácných zemin jeho působením přecházejí do excitovaného stavu. Po návratu do stavu s nižší energií tyto ionty emitují fotony s delší vlnovou délkou než má iniciační laser.

Tímto způsobem vlákno funguje jako zdroj laserového světla. Jeho frekvence závisí na typu přidaných prvků vzácných zemin. Samotné vlákno je vyrobeno z fluoridu těžkých kovů, což má za následek efektivní generování laserového záření o frekvenci infračerveného rozsahu.

Rentgenové lasery zabírají opačnou stranu spektra — mezi ultrafialovým a gama — jedná se o řády s vlnovými délkami od 10-7 do 10-12 m. Lasery tohoto typu mají ze všech typů laserů nejvyšší pulzní jas.

První rentgenový laser byl postaven v roce 1985 v USA, v Livermore Laboratory. Lawrence. Laser generuje na selenových iontech, rozsah vlnových délek je od 18,2 do 26,3 nm a nejvyšší jas připadá na čáru vlnové délky 20,63 nm. Dnes bylo pomocí hliníkových iontů dosaženo laserového záření o vlnové délce 4,6 nm.

Rentgenový laser je generován pulsy o délce trvání 100 ps až 10 ns, což závisí na životnosti tvorby plazmatu.

Faktem je, že aktivním prostředím rentgenového laseru je vysoce ionizované plazma, které se získá například při ozařování tenkého filmu yttria a selenu vysokovýkonným laserem ve viditelném nebo infračerveném spektru.

Energie rentgenového laseru v pulsu dosahuje 10 mJ, přičemž úhlová divergence paprsku je přibližně 10 miliradiánů. Poměr výkonu čerpadla k přímému záření je asi 0,00001.