Устройство и принцип работы лазера. Общие сведения и классификация

Лазер, или оптический квантовый генератор, представляет собой источник когерентного электромагнитного излучения оптического или близкого к нему диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов или молекул.

В основе работы лазеров лежат явления вынужденного излучения под действием внешнего электромагнитного поля, усиления и формирования потока излучения. Общая схема лазера приведена на рисунке 2.6

Рисунок 2.6 – Общая структурная схема лазера:

1- активная среда; 2- система накачки; 3- резонатор

Механизм действия состоит в создании инверсной заселенности энергетических уровней атомов или молекул среды, при которых стимулированное излучение преобладает над поглощением.

Основными элементами лазера являются:

- активная среда (рабочее вещество), в котором может быть осуществлена инверсия;

-система накачки – устройство, посредством которого осуществляется воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию населенности;

- резонатор.

Рабочее вещество усиливает оптическое излучение благодаря индуцированному испусканию активных частиц. Активная среда может быть различна по агрегатному состоянию (в твердом, жидком, газообразном состоянии). Именно по этому признаку различают лазеры на твердом теле, газовые лазеры и жидкостные, газодинамические, химические, полупроводниковые, лазеры на красителях. Различается и устройство активных элементов лазеров, относящихся к разным группам. Активный элемент твердотельного лазера представляет собой стержень с кристаллической и аморфной структурой. В газовых лазерах активный элемент имеет вид трубки, заполненной газом или их смесью. В жидкостных лазерах активный элемент находится в кювете.

Классифицируют лазеры и по другим признакам – по рабочей длине волны, по способу накачки, мощности излучения, режиму генерации и т.д.

Резонансная система, вызывая многократное прохождение возникающего оптического индуцированного излучения через активную среду, обусловливает эффективное взаимодействие поля в ней. Если рассматривать лазер как автоколебательную систему, то можно считать, что резонатор обеспечивает положительную обратную связь в результате возвращения части распространяющегося между зеркалами излучения обратно в активную среду. Чтобы в лазере возникли колебания, мощность, получаемая от активной среды, должна быть равна мощности потерь в резонаторе или превышать ее. Это эквивалентно тому, что интенсивность волны генерации после прохождения через усиливающую среду, отражения от зеркал 3, возвращения в исходное сечение должна оставаться неизменной или превышать первоначальное значение.

Возбуждение квантовой системы осуществляется путем накачки – импульсного или постоянного воздействия на активную среду электромагнитным излучением определенной частоты.

Возбуждение активного вещества или накачка осуществляется несколькими методами:

- оптическая накачка. Это достаточно универсальный и широко используемый метод накачки твердотельных и жидкостных лазеров, иногда он применяется и для накачки полупроводниковых и газовых лазеров. Сущность метода заключается в облучении активной среды излучением, которое поглощается активным веществом и переводит активные центры из основного в возбужденное состояние. В качестве источника возбуждения могут быть использованы разнообразные источники света, в том числе ксеноновые лампы-вспышки низкого давления (около 100 мм.рт. столба), вольфрам - иодные, криптоновые и ртутные капиллярные лампы высокого давления, обычные лампы накаливания, лазеры;

- накачка с помощью газового разряда осуществляется путем пропускания тока через газ. При этом возбуждение активных состояний атомов и молекул осуществляется при неупругих столкновениях электронов с тяжелыми частицами, а так же при вторичных процессах в газе. В настоящее время для накачки используется тлеющий и дуговой разряды на постоянном токе, высоких и сверхвысоких частотах;

- возбуждение электронным пучком. Этот метод накачки используется для полупроводниковых и газовых лазеров;

- инжекция неосновных носителей заряда через p-n-переход – это самый распространенный способ накачки полупроводниковых лазеров, который позволяет непосредственно, без промежуточных стадий, преобразовать электрическую энергию в лазерное излучение;

- химическая накачка применяется главным образом в газовых лазерах и использует химические реакции, сопровождающиеся образованием возбужденных продуктов;

- газодинамическая накачка. Этот метод применяется в газовых лазерах и заключается в резком охлаждении рабочего газа, в результате чего может быть достигнута инверсная населенность.

Лазерный резонатор представляет собой открытый резонатор Фабри-Перо.

Положительная обратная связь осуществляется с помощью двух зеркал, образующих интерферометр Фабри - Перо, который является оптическим открытым резонатором. Лазерные зеркала обеспечивают возможность многократного прохождения волны, если волновой вектор направлен по оси резонатора. Многократное прохождение в резонаторе световой волны обеспечивает ее усиление путем многократного “ опустошения” метастабильного уровня и генерации фотонов. Инвертированная активная среда при каждом проходе будет усиливать волну, и повышать плотность фотонов. Обеспечивая положительную обратную связь, резонатор влияет на диаграмму направленности и спектральный состав излучения.

Обычно одно зеркало делают глухим, т.е. коэффициент отражения R₁≈1, а второе зеркало с коэффициентом отражения R₂≈0,95. Накопленное в резонаторе излучение, преодолев определенный порог интенсивности, выходит из зеркала, сформированный таким образом пучок лазерного излучения является когерентным излучением с высокой спектральной плотностью излучения.

Важной характеристикой любого резонатора является добротность, представляющая собой отношение энергии, запасенной в резонаторе, к средней энергии, теряемой за период колебаний или в единицу времени. Оптический резонатор называют открытым, если отражающие стенки не замкнуты. В объемном резонаторе могут возбуждаться колебания только с определенными длинами волн, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными и соответствуют собственным частотам резонатора. Возникающие колебания соответствуют собственному типу колебаний резонатора. Собственный тип колебаний резонатора называют модой. Если расстояние между двумя типами колебаний будет много меньше ширины спектральной линии, т.е. в пределах одной спектральной линии укладывается много собственных типов колебаний или мод. Такой резонатор называется многомодовым. Добротность оптических резонаторов велика и достигает 10⁸.

Простейший оптический резонатор образует два плоских зеркала, расположенные строго параллельно друг другу (рисунок 2.7). Электромагнитные волны, расположенные вдоль оптической оси резонатора будут отражаться от зеркал, и интерферировать между собой. Те из них, для которых выполняется условие резонанса, интерферируют на максимум, образуя в резонаторе стоячую волну, как показано на рисунке 2.7. За счет многократного прохождения таких волн резко увеличивается эффективность их взаимодействия с активным веществом. Волны, расположенные под не слишком малым углом к оптической оси, после нескольких отражений выводят из резонатора.

Рисунок 2.7 – Cхема оптического резонатора

Резонаторы могут быть выполнены из сферических зеркал, преимущество таких сферических зеркал перед плоскими заключается в том, что требуется меньшая точность их установки. Кольцевой резонатор представляет собой открытый резонатор (рисунок 2.8), зеркала которого обеспечивают движение луча по замкнутому контуру. Замкнутый контур образует система из четырех или трех зеркал. Если одно из зеркал сделать полупрозрачным и поставить дополнительные зеркала, то можно перейти из режима стоячей волны к режиму бегущей волны, при котором поле в среднем более однородно, что позволяет полнее использовать активное вещество. К резонатору предъявляются жесткие требования по качеству зеркал и юстировке.

Рисунок 2.8 – Схема кольцевого резонатора