Лекция 20. Элементы физики лазеров. Лекция 22. Элементы физики лазеров 22 Спонтанные и вынужденные переходы
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
| В результате этого процесса, называемого поглощением, энергия электрона (и атома в целом) увеличится с Е1до E2. Состояние электрона в атоме, при котором его энергия минимальна, называется основным состоянием, а все остальные возможные энергетические состояния – возбужденными состояниями. При этом, очевидно, квант внешней энергии исчезает. |
Возбужденное состояние атома, если не принять определенных мер, является неустойчивым. Через некоторый промежуток времени (обычно это 10-8 секунды) атом без каких-либо внешних воздействий переходит в состояние с меньшей энергией (в нашем случае – в состояние Е1), отдавая избыток энергии в виде светового кванта (22.1).
| Процесс перехода атома из состояния с энергией E2 в состояние с меньшей энергией Е1, сопровождающийся испусканием кванта энергии hν = E2 – Е1, называется спонтанным (т.е. самопроизвольным) излучательным переходом. |
Под термином квант энергии мы будем иметь в виду световой квант, т.е. фотон.
Важной особенностью процессов спонтанного испускания, непрерывно происходящих в двухуровневой атомной системе при ее освещении поглощающимся светом, является то, что все рождающиеся фотоны не когерентны между собой. Кроме излучения кванта hν, атом может передать избыток энергии E2 – Е1 кристаллической решетке, При этом амплитуда колебаний каких-то атомов решетки увеличится, а электрон перейдет в состояние Е1, т.е. его энергия уменьшится. Этот процесс называется спонтанным безызлучательным переходом. Наглядно эти три рассмотренных процесса изображаются на энергетических диаграммах следующего вида (рис. 22.1) – процессы 1, 2 и 3.
Рис. 22.1. Возможные энергетические процессы в
двухуровневой атомной системе
1 – поглощение; 2 – спонтанное излучение; 3 – безызлучательный переход
Промежуток времени между процессами 1 и 2 составляет, как уже было сказано, примерно 10-8 секунды. В течение этого промежутка времени атом находится в возбужденном состоянии. Если за это время в сферу взаимодействия с атомом попадет еще один квант света, то может произойти, в принципе, один из двух возможных процессов.
Квант может поглотиться каким-то другим атомом, т.е. повторится процесс 1, но в другом атоме. В возбужденном состоянии будут находиться два атома, в которых, через некоторое время, осуществятся процессы типа 2 – спонтанное испускание двух некогерентных квантов света.
В атоме, уже находящемся в возбужденном состоянии, осуществится процесс типа 4 – электрон перейдет в состояние Е1, при этом избыток энергии излучится в виде кванта света hν = E2 – Е1.
Процесс 4 отличается от процесса 2 тем, что при этом первичный фотон, вызвавший процесс типа 4, никуда не исчезает, т.е. в результате процесса возникают два фотона с одной и той же частотой ν = (E2 – Е1)/ h.
| Этот процесс называют вынужденным (или индуцированным) испусканием. Важной особенностью процесса вынужденного испускания является то, что оба возникающих фотона когерентны друг другу, т. е второй фотон является точной копией первого – имеет такую же частоту, фазу, плоскость поляризации и направление распространения. |
Таким образом, процессы 2 и 4 принципиально различные. В первом случае возникающие кванты взаимно некогерентны, во втором случае – взаимно когерентны. Т.к. оба этих процесса в принципе могут произойти и происходят, то возникает вопрос – какие из них происходит чаще, какие реже?
Ответ такой – вероятность процесса пропорциональна числу его участников. Если в рассматриваемой атомной системе в основном состоянии Е1 находится больше атомов, чем в возбужденном состоянии E2, то чаще будут происходить процессы типа 2 – поглощения света и последующего спонтанного испускания взаимно некогерентных квантов.
Если же, наоборот, в возбужденном состоянии E2 находится больше атомов, чем основном состоянии Е1, в системе будут преобладать процессы типа 4 – вынужденного излучения взаимно когерентных квантов.
В равновесных системах атомов большинство электронов находится в низших энергетических состояниях, в соответствие со статистикой Больцмана.
(22.2)Если E2 > Е1, то из (22.2) следует, что n2 <n1. Следовательно, в равновесных атомных системах процессы поглощения света преобладают над процессами вынужденного излучения. Наоборот в (22.2) получается только, если аргумент экспоненты (выражение в квадратных скобках) будет не отрицательным, а положительным. Это соответствует отрицательной абсолютной температуре.
Но мы можем практически создать такие условия, при которых n2 >n1. Для этого нам надо увеличить эффективность процесса поглощения света, процесса типа 1 настолько, что в возбужденном состоянии электронов станет больше, чем в основном состоянии. Это воздействие принято называть накачкой. Конечно, этот процесс не может продолжаться до бесконечности, но, в зависимости от интенсивности накачки, можно получить более или менее выраженное преобладание возбужденных атомов над невозбужденными.
| Такое состояние атомной системы называют состоянием с инверсной населенностью атомов, а такжесостоянием с отрицательной температурой. |
Еще одно название среды с инверсной населенностью - активная среда.
22.2. Квантовое усиление и квантовая генерация света
Зачем нам нужно создавать состояние с инверсной населенностью атомов? Впервые на этот вопрос в 1938 году ответил выдающийся советский физик Валентин Александрович Фабрикант. В 1964 году он получил диплом об открытии № 12 с приоритетом от 1951 года "Способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания". Он является лауреатом Сталинской премии 1951 года за разработку люминесцентных источников света.
 Рис. 12.2. В.А. Фабрикант (1907 – 1991) | В чем сущность открытия В.А. Фабриканта? Представим себе среду, в которой нам удалось создать инверсную населенность атомов. Для этого мы непрерывно возбуждаем атомы среды накачкой энергии от внешнего источника – мощной лампы, мощного электрического разряда, или другими способами. В этой среде непрерывно происходят процессы поглощения энергии накачки и процессы спонтанного испускания, но, тем не менее, соотношения n2 >n1 и E2 > Е1 всегда выполняются. Если в такую среду запустить квант света |
hν, для которого среда удовлетворяет условию Em – Еn, = hν, где Em и Еn – два энергетических состояния атомов среды и m>n, то вероятность того, что этот квант вызовет вынужденное излучение второго кванта, когерентного первому, будет больше вероятности поглощения этого кванта.
Рис. 22.3. Принцип работы квантового усилителя
Дальнейшее движение двух когерентных квантов вызовет появление еще двух квантов, когерентных с этими, и процесс увеличения числа когерентных квантов, движущихся в одном направлении, будет лавинообразно нарастать в геометрической прогрессии. Мы получим усиление когерентного светового потока, основанное на особенностях среды с инверсной населенностью атомов (рис. 22.3).
Следующий шаг в направлении создания квантовых источников был сделан в 1963 году советскими физиками Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым и американским физиком Чарльзом Хардом Таунсом, за что им в 1964 году была присуждена Нобелевская премия.
 Н.Г. Басов (1922-2001) |  А.М.Прохоров (1916 - 2002) |  Ч.Таунс (1915 - 2015) |
Рис. 12.4. Изобретатели оптического квантового генератора
В чем же новизна работы этих трех физиков? Давайте представим еще раз сущность открытия Валентина Александровича Фабриканта. Мы можем усилить входящий в активную среду световой поток сколь угодно, но для этого нам понадобится активная среда большой протяженности. Степень усиления светового потока пропорциональна длине пути, проходимого этим потоком в активной среде. Но если мы заставим проходить пучок один и тот же участок пространства активной среды несколько раз, то мы можем резко сократить общую протяженность активной среды (рис. 22.5). Мощность светового потока на выходе активной среды будет возрастать, и квантовый усилитель превратится в квантовый генератор.
Рис. 22.5. Принцип работы оптического квантового генератора (лазера)
Точно такое же явление наблюдается в радиотехнике. Если на вход усилителя переменного электрического сигнала подать напряжение с выхода усилителя, то, при определенных условиях (фазы входного и выходного сигналов совпадают) произойдет лавинообразное нарастание мощности выходного сигнала, и усилитель превратится в генератор переменного тока. Это явление называется положительной обратной связью в усилителе.
Как практически осуществить положительную обратную связь в активной среде? Активная среда помещается между двумя плоскопараллельными зеркалами. Свет на выходе из активной среды отражается от зеркала и проходит этот же путь в активной среде в обратном направлении, затем отражается от зеркала на другой стороне активной среды, и снова идет по этому же пути, и этот процесс повторяется все время. Систему их двух зеркал называют резонатором. Кроме создания в лазерной системе положительной обратной связи, резонатор выполняет еще одну важную роль – формирует выходной пучок с малой расходимостью. В некоторых конструкциях лазеров оба зеркала делаются полностью отражающими световой поток, но в одном из зеркал делается маленькое отверстие для выхода света.
При каждом прохождении через активную среду световой пучок усиливается. Если сделать одно из зеркал полупрозрачным, то часть когерентного светового потока будет выходить наружу. Это и есть оптический квантовый генератор – лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
22.3. Устройство лазера и особенности лазерного излучения
Лазер обязательно имеет три основных компонента (рис. 22.6): активную среду 1, устройство накачки 2 для создания инверсной населенности в активной среде, оптический резонатор 3 длявыделения в пространстве единого направления движения пучка фотонов и формирования выходящего светового пучка.
Рис. 22.6. Компоненты оптического квантового генератора (лазера)
-
Активная среда;
Устройство накачки;
Резонатор;
Брюстеры
Назначение этих трех компонентов лазера ясно из вышеизложенного материала. Добавим, что существуют лазеры, работающие в непрерывном или в импульсном режимах. Во втором случае заднее зеркало резонатора делается вращающимся или совершающим колебательное движение относительно положения, когда оно в точности параллельно другому зеркалу резонатора. При этом в течение короткого промежутка времени зеркало проходит через это положение, и тогда лазер генерирует импульс и излучает накопленную в активной среде энергию. Так можно достичь больших плотностей излучаемой энергии. Напр., если лазер в непрерывном режиме работы излучает световой поток мощностью 1 мВт (1 мДж/с), то, излучая этот же 1 милливатт за время 100 микросекунд, т.е. за 10-4 с, мы получаем энергию в импульсе в 10000 раз большую, чем при работе лазера в непрерывном режиме за этот же промежуток времени.
В настоящее время в промышленных технологиях находят применение лазерные импульсы длительностью 10-7 – 10-9 с, при этом энергия, излучаемая в импульсе, достигает 109 Дж.
Назначение четвертого компонента конструкции лазеров мы рассмотрим далее.
Привлекательность лазерного излучения обусловлена исключительностью некоторых его свойств. Мы остановимся на трех из этих исключительных особенностей.
22.3.1. Высокая монохроматичность лазерного излучения
Эта особенность лазерного пучка связана с тем, что кванты hν вынужденного излучения образуются, как правило, при переходе атома между двумя определенными энергетическими состояниями E2 и Е1, т.е. имеют строго определенную энергию и, след., длину волны λ.
hс /λ = E2 – Е1. → λ = hс /(E2 – Е1).
Степень монохроматичности выходного пучка лазерного излучения зависит от постоянства энергетических уровней E2 и Е1. Так, напр., для излучения видимого диапазона (частота 1015 Гц) ширина полосы генерации газового лазера составляет очень малую величину, примерно 100 – 500 Гц, однако сейчас созданы лазеры с шириной полосы генерации единицы герц.
Правда, в некоторых типах лазеров генерируются также и другие длины волн, это излучение, как правило, не используется и считается паразитным. Такой режим работы лазера называется многомодовым. Однако в ряде случаев применяются многомодовые лазеры с перестройкой генерации рабочей моды.
Существуют также газовые лазеры ИК-диапазона, излучающие полосатый спектр, состоящий из множества близко расположенных линий. Такое излучение применяется в ИК-спектроскопии.
22.3.2. Малая расходимость лазерного пучка
Это свойство лазерного излучения обусловлено наличием резонатора. Генерация излучения лазера происходит тогда, когда усиливающаяся лавина квантов вынужденного излучения многократно отражается от зеркал резонатора. Для этого кванты должны двигаться строго вдоль продольной оси лазера и падать на зеркала строго перпендикулярно.
Рис. 22.7. К объяснению малой расходимости
лазерного пучка
В объеме активной среды лазера одновременно могут образовываться большое число лавин квантов вынужденного излучения, имеющих различные направления распространения и разные плоскости поляризации. Однако те из них, которые падают на боковые поверхности объема активной среды, а также те, которые падают на зеркала резонатора не перпендикулярно (на рис. 22.7 показаны красным цветом), отражаясь, гасятся стенками. В результате из выходного окна лазера выходит узкий пучок с малым углом расходимости α.
Угол расходимости зависит от соотношения расстояния между зеркалами резонатора к диаметру зеркала. Чем длиннее лазер, тем меньше расходится пучок на выходе. Кроме того, коротковолновое излучение расходится в меньшей степени, чем длинноволновое.
При лазерном зондировании Луны на ее поверхности наблюдалось пятно диаметром 30 км. Оценим угол расходимости пучка, которым производилось зондирование. Расстояние до Луны – 384467 км.
α ≈ tg α ≈ 20 / 384467 = 5,2 . 10-5 рад = 16,1 " .
22.3.3. Плоская поляризованность лазерного пучка
Выходящий из резонатора световой пучок не является плоско-поляризованным. В начальный момент работы лазера направление поляризации в различных усиливаемых лавинах может быть различным, в принципе – любым. Если на пути лазерного пучка поставить пластинку прозрачного стекла под углом полной поляризации (углом Брюстера), то отраженный пучок будет полностью поляризован перпендикулярно плоскости падения (показано красным цветом), а прошедший пучок – частично поляризован в перпендикулярной плоскости (рис. 22.8).
Рис. 22.8. К объяснению плоской поляризованности
лазерного пучка
Полупрозрачное зеркало резонатора;
Брюстер.
Пунктиром показан узел непрозрачного зеркала резонатора
Отраженный пучок после отражения гасится, прошедший – отражается от зеркала резонатора и снова проходит через пластину, называемую на жаргоне оптиков брюстером. Этот процесс проходит многократно, при этом степень поляризации пучка возрастает. Брюстеры (их два, перед каждым зеркалом резонатора) играют роль поляризационного прибора стопа Столетова, только в данном случае свет проходит не через стопу пластин один раз, а многократно через две пластины, непрерывно увеличивая при каждом прохождении степень своей поляризации. В итоге выходящий пучок лазера практически полностью плоско поляризован.
22.4. Классификация лазеров
В настоящее время выпускается большое разнообразие лазерных устройств. что создает необходимость привести их некоторую классификацию, хотя бы для наиболее широко распространенных типов.
1) По виду активной среды: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые (инжекционные), лазеры на парах металлов, эксимерные лазеры, лазеры на свободных электронах.
2) По режимам работы: непрерывный и импульсный режимы.
3) По излучаемому диапазону длин волн: лазеры видимого излучения, ультрафиолетового, инфракрасного диапазонов. Предпринимаются попытки создать лазер рентгеновского излучения.
4). По излучаемой мощности: лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт (мегаватт), называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт лазеры классифицируются как средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.
5). По назначению:
- технологические лазеры для обработки конструкционных материалов, это высокомощные или средней мощности газовые или твердотельные лазеры, как правило, ИК-диапазона;
- лазеры для проведения фотохимических реакций, это тоже технологические лазеры, как правило, жидкостные, на органических красителях;
- лазерные измерительные системы (расстояний, размеров деталей, физико-химических свойств вещества, атмосферы);
- лазеры для передачи и обработки информации (напр., для волоконной оптики), это полупроводниковые, твердотельные, газовые лазеры видимого или ИК-диапазонов, малой мощности;
- лазеры медицинского назначения, это лазеры малой мощности, газовые, твердотельные, полупроводниковые;
- лазеры для проведения научных исследований в различных областях науки;
- мощные лазерные системы военного назначения;
- лазеры для управляемых ядерных реакций.
Существуют еще и другие параметры, по которым классифицируются лазеры, напр., какие-то конструктивные особенности, к.п.д.
Под коэффициентом полезного действия лазера понимается отношение оптической мощности, генерируемой на рабочей длине волны, к подводимой электрической мощности. У твердотельных лазеров к.п.д. составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1 – 15%, у полупроводниковых 40 – 60%.
Эта обширная классификация позволяет представить широкое разнообразие применений лазерного излучения в современной жизни.
Лазеры генерируют излучение в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне). Наиболее распространенными из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые1.
22.4.1. Твердотельные лазеры
Среди импульсных твердотельных лазеров более распространены устройства на рубине и стекле, легированном ионами неодима. Длина волны излучения неодимового лазера λ = 1,06 мкм (ближний ИК диапазон), у рубинового лазера – 0,694 мкм (излучение красного цвета).
Активная среда твердотельного лазера представляет собой стержень с плоскопараллельными торцами. Длина стержня рубинового лазера составляет обычно единицы см, диаметр – порядка 1 см. Стержни из неодимового стекла достигают длины 100 см, а диаметр – 4 – 5 см. Энергия импульса генерации неодимового лазера составляет примерно 1 кДж при длительности импульса 10-3 сек. У рубинового лазера энергия в импульсе достигает ста джоулей, при такой же длительности импульса, что и у неодимового.
Для эффективной накачки твердотельных лазеров используются ксеноновые лампы, помещенные в специальное отражающее устройство в форме эллиптического цилиндра с отражающей внутренней поверхностью (рис. 22.9).
Две оси эллиптического цилиндра F1 и F2 интересны тем, что луч, вышедший из любой точки одной оси, напр., F1, после зеркального отражения от эллиптического цилиндра обязательно пройдет через вторую ось F2. Вдоль одной оси (F1 на рис, 22.9) располагают лампу накачки (в форме стержня), вдоль второй оси – стержень активной среды. В этом случае все излучение лампы накачки обязательно проходит через активную среду.
Рис. 22.9. Накачка твердотельных лазеров
Рубиновый лазер, созданный в 1960 году в США Теодором Мейманом, был первым твердотельным лазером.
Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Аl2О3, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов алюминия (0,03 – 0,05)% замещены трехвалентными ионами хрома Cr3+. Излучение происходит при переходах между двумя уровнями в ионах хрома.
 Рис. 22.10. Теодор Мейман и сконструированный им рубиновый лазер | В рубиновом лазере инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме (рис. 22.10), предложенной в 1955 г. Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым. Под действием лампы накачки атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на вышележащий уровень 3. Так как время жизни атомов хрома |
в возбужденных состояниях мало (меньше 10-7 с), то в дальнейшем происходят либо спонтанные переходы 31 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина.
 Рис. 22.11. Трехуровневая схема возбуждения рубинового лазера | Переход 21 запрещен так называемыми правилами отбора по спину2, поэтому длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома может достигать 10-3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к накоплению атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности |
накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.
Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 21, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Нужное направление преимущественного распространения фотонной лавины задается резонатором. В случае твердотельной активной среды это могут быть не отдельные зеркала, а зеркальное покрытие полированных торцов стержня.
Твердотельные лазеры отличаются большой мощностью, поэтому одно из наиболее распространенных применений этих лазеров – механическая обработка конструкционных материалов (сварка, резка, раскройка конструкционных материалов, чаще всего металлических). Импульсное лазерное воздействие применяется для поверхностного упрочнения деталей.
22.4.2. Газовые лазеры
Самым распространенным газовым лазером небольшой мощности до сих пор является гелий-неоновый лазер (рис. 22.12), активной средой в котором служит смесь гелия и неона в отношении 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Мощность гелий-неонового лазера может достигать ста милливатт. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.
Рис. 22.12. Устройство гелий-неонового лазера
Схема рабочих уровней гелий-неонового лазера приведена на рис. 22.13.
Рис. 22.13. Схема рабочих уровней гелий-неонового лазера
Е3Ne → Е4Ne(длина волны излучения λ = 3,392 мкм),
Е2Ne→ Е5Ne (λ = 1,153 мкм), Е3Ne → Е5Ne(λ = 0,632 мкм).
Возбуждение электронов при неупругих соударениях с электронами газового разряда происходит в атомах гелия. Возбужденные состояния Е3He и Е2He являются метастабильными, т.е. на этих уровнях создается очень высокая концентрация электронов. Уровни энергии у атома неона Е3Ne и Е2Ne близки к соответствующим уровням энергии гелия, поэтому вследствие столкновений атомов гелия и неона энергия возбуждения передается атомам неона. Возбужденные электроны атомов неона с уровней Е3Ne и Е2Ne переходят с излучением световых квантов на уровни Е4Ne и Е5Ne, т.е. возможны излучательные переходы
Два первых из перечисленных электронных переходов дают излучение в ИК области, третий переход – в видимой области спектра (красное излучение). Именно этот переход является рабочим у гелий-неонового лазера. Гелий-неоновые лазеры применяются широко до сих пор, для проведения оптических работ, не требующих больших мощностей пучка.
В аргоновом лазере, накачка которого производится дуговым разрядом, рабочими являются переходы уровнями иона аргона.
Наиболее распространенными мощными технологическими газовыми лазерами являются лазеры на углекислом газе (СО2-лазер, λ = 10,6 мкм), и лазер на окиси углерода (СО-лазер, λ = 5,3 мкм). Оба этих лазера могут генерировать мощность до 10 кВт.
К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.
В какой-то мере к газовым можно отнести лазеры на парах металлов. Одним из наиболее известных является гелий-кадмиевый лазер (λ = 0,442 мкм), в котором рабочими являются уровни атомов кадмия, находящихся в парообразной фазе. Гелий применяется, так же, как и в гелий-неоновом лазере, для передачи энергии возбуждения атомам кадмия. Мощность гелий-кадмиевых лазеров обычно составляет около 100 мВт.
22.4.3. Жидкостные лазеры
Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. В настоящее время производятся жидкостные лазеры на растворах органических красителей в подходящих растворителях. Основное преимущество таких лазеров – возможность довольно быстрой перестройки генерируемой частоты, для этого надо просто заменить раствор одного красителя на раствор другого. Красители сейчас производятся химической промышленностью на весь видимый диапазон, поэтому можно получить генерацию практически любой длины волны излучения.
Основной недостаток жидкостных лазеров – невысокая стойкость молекул красителей к мощным световым потокам накачки. Вам знакомо свойство красок обесцвечиваться, выцветать на ярком солнечном свете, особенно в присутствии ультрафиолетового излучения – это краски для тканей, цветные фотографии, цветные принтерные отпечатки. Такому же обесцвечиванию подвергаются молекулы красителей жидкостных лазеров. Поэтому жидкая рабочая среда лазеров на красителях непрерывно прокачивается между зеркалами резонатора, чтобы не допустить длительного воздействия светового потока накачки на молекулы красителя. Это удорожает стоимость этих лазеров.
Накачка лазеров на красителях производится, как правило, другими лазерами, или мощными лампами (это ксеноновые лампы, знакомые вам по лампам-вспышкам в фотоаппаратах). Мощность жидкостных лазеров на красителях в непрерывном режиме достигает десятков ватт, в импульсном режиме – сотни джоулей на импульс. Применяются такие лазеры в физико-химической спектроскопии, в качестве эталонов длины волны светового излучения, в химической технологии – для осуществления химических реакций, которые могут протекать только тогда, когда молекулы реагентов находятся в фотовозбужденном состоянии.
В последнее время все большее распространение получают оптические методы обработки информации, вплоть до создания ЭВМ на оптических потоках. Это направление в электронике получило название фотоника. В таких системах находят применения лазеры небольшой мощности на красителях, помещенных не в жидкий растворитель, а в твердую прозрачную матрицу. Оказалось, что устойчивость молекул красителей в таких твердых матрицах выше, чем в жидких растворах, при не очень высоких мощностях накачки, что характерно для изделий фотоники.
22.4.4. Лазеры на свободных электронах
Проект первого лазера на свободных электронах (Free Electron Laser, FEL) был опубликован в 1971 году Джоном Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с лазером FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый ондулятор для усиления излучения. Мощность лазера составляла 300 мВт, при весьма низкой эффективности – всего 0,01 %. Но разработчики показали работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.
 Рис. 22.14. Джон Мэйди 1943 – 2016 | Излучение в лазере на свободных электронах генерируется ускоренным моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся через систему периодически расположенных отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Такая система получила название ондулятора (рис. 22.15). Движение электронов в этих условиях сопровождается их периодическими колебаниями, что приводит к излучению когерентной электромагнитной волны, энергия фотонов которой зависит от |
энергии электронов и параметров ондулятора.
Рис. 22.15. Схема лазера на свободных электронах
Этим лазер на свободных электронах отличается от всех других типов оптических квантовых генераторов. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL.
При движении электрона со скоростью, много меньшей скорости света, частота излучения электрона определяется периодом ондулятора λW и скоростью υ движения электрона вдоль оси ондулятора, и длина волны генерируемого излучения λFEL
-
(22.3)
что соответствует радиочастотному диапазону. Однако, при релятивистских скоростях формула усложняется, и длина волны излучения
-
(22.4)
смещается в сторону оптического диапазона. В формуле (22.4)
,здесь В – индукция магнитного поля, me – масса электрона, с – скорость света, γ = [1 – (υ/c)2]–1. При изменении энергии электронов от сотен до тысяч МэВ длины волн излучения электрона попадают в спектральные области от ультрафиолетовой до инфракрасной.
Параметры лазеров на свободных электронах впечатляют:
- импульсная мощность свыше 1 МВт;
- КПД более 10%;
- длительность импульса от 10-12 с до бесконечности.
- диапазон перестройки от 50 нм до 1 мм.
Важным преимуществом этого типа лазеров является широкая полоса перестройки
Основным недостатком лазеров на свободных электрона является большая стоимость затрат на получение высокоскоростных (релятивистских) электронных пучков. Излучение, получаемое с помощью лазеров на свободных электронах, применяется для изучения нано-структур, находящих все более широкое применение в современной микроэлектронике.
1 Последний тип лазеров здесь не рассматривается, т.к. требует знаний из области квантовой механики
2 Правила отбора рассматриваются в курсе атомной физики