Активне середовище

Вступ

Лазер (англ. laser, акронім від англ. Light amplification by stimulated emission of radiation - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання), оптичний квантовий генератор - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого та вузьконаправленого потоку випромінювання.

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, що досягає гранично великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують в якості робочого середовища всі агрегатні стани речовини. Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або поліхроматичні твердотільні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних для ряду напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодімовім склі. Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх в різних галузях науки і техніки, а також в побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослідженнями в галузі керованого термоядерного синтезу.

Фізичною основою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінювання фотона когерентне фотону, який викликав випромінювання (є його «точною копією»). Таким чином відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрямку поширення, поляризацію і фазу.

Імовірність того, що випадковий фотон викличе індуковане випромінювання порушеної атома, в точності дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходяться в збудженому стані.Тому для посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів у середовищі було більше, ніж не збудженому (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін).

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення спадкоємності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінені фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (обертові призми, осередку Керра та ін) для швидкого виключення і включення зворотного зв'язку та зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Генероване лазером випромінювання є монохроматичним (однієї або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більше, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі будуть домінувати над усіма іншими фотонами. Крім цього, через особливого розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином промінь лазера має дуже малий кут розходження. Нарешті, промінь лазера має строго певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляризатори, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні платівки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.

1.1 Пристрій лазера

Всі лазери складаються з трьох основних частин:

активної (робочої) середовища;

системи накачки (джерело енергії);

оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).

Кожна з них забезпечує для роботи лазера виконання своїх певних функцій.

Активне середовище

В даний час в якості робочого середовища лазера використовуються різні агрегатні стани речовини: тверде, рідке, газоподібне, плазма.У звичайному стані число атомів, що знаходяться на збуджених енергетичних рівнях, визначається розподілом Больцмана:

тут N - число атомів, що знаходяться у збудженому стані з енергією E, N0 - число атомів, що знаходяться в основному стані, k - постійна Больцмана, T - температура середовища. Іншими словами, таких атомів, що знаходяться у збудженому стані менша, ніж в основному, тому ймовірність того, що фотон, поширюючись по середовищу, викличе вимушене випромінювання також мала в порівнянні з ймовірністю його поглинання. Тому електромагнітна хвиля, проходячи по речовині, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання при цьому падає за законом Бугера:

тут I ₀ - початкова інтенсивність, It - інтенсивність випромінювання, що пройшов відстань l в речовині, ­a₁- показник поглинання речовини. Оскільки залежність експоненціальна, випромінювання дуже швидко поглинається.

У тому випадку, коли число збуджених атомів більше, ніж не збудженому (тобто в стані інверсії населенностей), ситуація прямо протилежна. Акти вимушеного випромінювання переважають над поглинанням, і випромінювання посилюється за законом:

де a­­­₂ - коефіцієнт квантового підсилення. У реальних лазерах підсилення відбувається до тих пір, поки величина надходить за рахунок вимушеного випромінювання енергії не стане рівною величині енергії, що втрачається в резонаторі. Ці втрати пов'язані з насиченням метастабільного рівня робочої речовини, після чого енергія накачування йде тільки на його розігрів, а також з наявністю безлічі інших чинників (розсіювання на неоднорідностях середовища, поглинання домішками, неідеальність відображення дзеркал, корисне і небажане випромінювання в навколишнє середовище тощо).