Основные разновидности лазеров
Существует множество лазеров разного типа, различающихся активной средой и способом накачки. В качестве активной среды применяют твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки чаще всего используется оптическая накачка, а также накачка электрическим разрядом в самой активной среде. Накачка может быть непрерывной и импульсной. Рассмотрим основные типы лазеров.
Твердотельные лазеры
Твердотельными называют лазеры, в которых активной средой являются кристаллические или аморфные диэлектрики (стекла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов. В первом твердотельном лазере (1960 г.) использовался кристалл рубина.
Рубин — это твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд — диэлектрический кристалл оксида алюминия (А12О3). Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов алюминия в этом кристалле заменяют ионы хрома. С введением ионов хрома кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. Энергетическая диаграмма, характеризующая структуру разрешенных уровней хрома, показана на рис. 11.4. Она содержит основной энергетический уровень Е1 два узких уровня Е2а и Е2б и две сравнительно широких полосы энергий Е3 и Е4 которые представляют собой совокупность большого числа близко расположенных разрешенных уровней.
Если атом хрома возбудить, то он сначала перейдет из основного состояния в полосу Е3 или Е4, а спустя очень короткое время (10-8 с) — на уровень Е2а или Е2б . При переходе на уровни Е2 атом хрома не излучает. Его энергия тратится на возбуждение колебаний кристаллической решетки рубина. Возможность возвращения атома с полос Е3 и Е4 снова на уровень Е1 хотя и существует, но скорость этого процесса пренебрежимо мала по сравнению со скоростью перехода на уровни Е2 . На уровнях Е2 атом находится около 10-3 с. Такое длительное время (по сравнению с 10-8 с) позволяет накапливать атомы хрома на уровнях Е2 . Если достаточно быстро переводить атомы хрома с уровня Е1 в полосы Е3 и Е4 то на уровнях Е2 можно накопить более половины атомов хрома. В этом случае уровни Е2 окажутся более заселенными, чем уровень Е1 то есть возникнет инверсия населенностей.
Для перевода атомов хрома с уровня Е1 на уровни Е3 и Е4 (накачка) используют мощные лампы-вспышки. Перевести атомы хрома непосредственно с уровня Е1 на уровни Е2 нельзя. Объясняется это тем, что свет вызывает в кристалле два процесса: поглощение света невозбужденными атомами и вынужденное испускание его возбужденными атомами. Если оба процесса происходят между двумя уровнями, то они протекают с одинаковой скоростью. Поэтому максимум того, что можно получить при накачке, — уровнять населенности. Для получения инверсии населенностей необходим третий уровень как своеобразный «перевалочный пункт».
Лампа-вспышка испускает импульс света длительностью около 10-3 с, близкий к белому, то есть с широким спектром частот. Для переброса ионов хрома на уровни Е3 и Е4 затрачивается только часть спектрального состава и, соответственно, энергии светового потока (около 15 %). Для перевода иона хрома с уровня Е1 в полосу Е3 используется излучение с длиной волны 0,56 мкм, а переброс в полосу Е4 происходит при излучении с длиной волны около 0,41 мкм.
Наличие широких энергетических полос в спектре ионов хрома является благоприятным обстоятельством для создания лазера. Чем шире эти полосы, тем больше ионов может в них разместиться. Переход ионов хрома из широких полос на уровни Е2 позволяет концентрировать атомы хрома в небольшом энергетическом интервале, что позволяет получить высокую монохроматичность излучения при переходе атомов хрома с уровней Е2 на основной уровень Е1 . При переходе с уровня Е2а на уровень Е1 излучение происходит с длиной волны 0,6943 мкм, при переходе с уровня Е2б — с длиной волны 0,6929 мкм. Наиболее благоприятны условия для генерации света с длиной волны 0,6943 мкм.
Устройство рубинового лазера иллюстрирует рис. 11.5. В стеклянной трубке расположен рубиновый стержень, на торцах которого имеются отражающие зеркала. Стержень возбуждается импульсной лампой и охлаждается проточной водой или жидким азотом.
Кроме рубина в твердотельных лазерах применяют стекла, актированные неодимом. Благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных лазерных стержней, а также возможности изготовления длинных стержней лазеры на стекле обладают преимуществом по сравнению с рубиновыми лазерами. Однако стекло имеет значительно меньшую, чем рубин, теплопроводность, что вызывает необходимость применения более эффективных систем охлаждения. Длина волны излучения стеклянного лазера составляет 1,06 мкм.
В оптических системах связи находит применение лазер на иттрий-алюминиевом гранате (сокращенно YAG),легированный активными ионами неодима. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима (сокращенно YAG-Nd) является уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твердостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Такой лазер излучает колебания с длиной волны 1,064 мкм. Конструкция YAG-Nd-лазера очень компактна. Лазер содержит стержень длиной 5 мм и толщиной 0,5 мм, который накачивается с торца GaAlAs-светодиодом. Более компактную конструкцию имеет YAG-лазер,легированный неодим-пентафосфатом NdP3O14. Накачка такого лазера осуществляется светодиодом с длиной волны 0,5 мкм. Этот лазер имеет очень низкий порог накачки (примерно 1 мВт), что позволяет назвать его микролазером.
Газовые лазеры
Газовыми лазерами называют оптические квантовые генераторы, в которых активной средой является газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. В зависимости от того, состояние каких частиц используется для получения инверсии населенностей, различают атомные, ионные и молекулярные лазеры.
Газовые лазеры являются наиболее распространенным типом лазеров. Они излучают на волнах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (0,15-699,5 мкм) и обладают самой высокой степенью когерентности но сравнению со всеми остальными источниками света. Газовая среда имеет хорошую оптическую однородность, поэтому позволяет получить наименьший угол расхождения пучка (около 1°).