Теоретические основы квантовых приборов. Теоретические основы
 Скачать 0.84 Mb.
|
4.1. Методы возбуждения и классификация лазеров Схемы и методы возбуждения лазеров. Для создания инверсии насе - ленностей в активных средах различных типов используют следующие мето - 53 ды передачи энергии на верхний рабочий уровень: оптическую накачку; воз- буждение электронным ударом; возбуждение атомов за счет неупругих со- ударений с атомами в возбужденном состоянии; возбуждение за счет выде- ления энергии связи при диссоциации молекул; инжекцию носителей заряда; передачу тепловой энергии при адиабатическом расширении газа; использо- вание ионизирующего излучения. Рис. 30 Оптическая накачка – метод создания инверсии населенностей, исполь- зующий процесс вынужденного поглощения света в активной среде: ∗ → ω + A A ℏ , где А обозначает невозбужденную квантовую систему, а ∗ A – возбужденную. В газообразной среде прямая оптическая накачка обычно за- труднена из-за узости энергетических уровней и их сравнительно частого расположения на шкале энергий. В результате этого при накачке, как прави- ло, заселяется целый набор энергетических уровней, между которыми проис- ходят интенсивные переходы и нужный по населенности уровень не выделя- ется. Поэтому при использовании оптической накачки используют так назы- ваемые трехуровневые или четырехуровневые схемы (рис. 30). 0 0 1 1 2 3 Основной уровень Метастабильный уровень Метастабильный уровень Лазерный переход Лазерный переход Распад Распад Распад а б 54 Использование таких схем заключается в отыскании веществ, у кото- рых маложивущие уровни соседствуют с долгоживущими уровнями. На язы- ке коэффициентов Эйнштейна это можно выразить для схемы, приведенной на рис. 30, а, следующим образом: ( ) 1 2 10 21 τ << τ >> A A В результате накачки и спонтанных переходов , характеризующихся приведенными соот - ношениями , населенность уровня 1 N становится больше населенности уров - ня 0 N и при наличии в активной среде электромагнитного поля с часто - той 10 ω происходят индуцированные переходы , сопровождающиеся усиле - нием электромагнитного поля По трехуровневой схеме накачки работает ру - биновый лазер , эта схема возбуждения требует большой мощности накачки по сравнению с четырехуровневой схемой ( рис . 30, б ). Последняя более эко - номична , и для ее реализации должны выполняться соотношения ( ) , , 2 3 1 21 10 32 τ << τ τ >> A A A (80) Метод создания инверсной населенности , использующий передачу ки - нетической энергии электронов при соударении с атомами в газовом разряде , называется возбуждением электронным ударом и описывается схемой e A e A + → + ∗ Возбуждение электронным ударом используется обычно в газовых средах при создании в них электрического разряда Поскольку в га - зоразрядной плазме электроны имеют максвелловское распределение по ско - ростям ( ) , / exp 2 2 2 u V V N − , 2 m kT u = а нас интересуют в этом распре- делении наиболее быстрые электроны, то инверсная населенность по двух- уровневой схеме обычно не реализуется. Ситуация сводится фактически к той же, что имеет место при использовании оптической накачки: для созда- ния инверсной населенности необходимо сочетание быстрораспадающихся и долгоживущих уровней, т. е. использование 3- и 4-уровневых схем. Создание инверсной населенности возможно также методом возбужде- ния за счет неупругих столкновений атомов по схеме B A B A + → + ∗ ∗ . При сближении двух атомов разных типов А и В с близкими структурами энерге- тических уровней ) ( 1 2 1 2 A A B B E E E E − ≈ − в том случае, когда один из атомов находится на верхнем энергетическом уровне, а другой – на нижнем, возмо- жен резонансный процесс передачи энергии, при котором первый атом пере- ходит на нижний уровень, а второй – на верхний. Процесс является резо- 55 нансным в том смысле, что вероятность перехода AB W максимальна при 0 ) ( ) ( 1 2 1 2 = − − − = ∆ A A B B E E E E E , ) exp( T k E W B AB ∆ − ≅ Схема накачки за счет неупругих соударений атомов представлена на рис . 31. Выбираются два газа ( рабочий и примесный ), которые характеризу - ются близостью энергий возбужденных уровней Электроны , в разряде со - ударяясь с атомами примесного газа , возбуждают их на уровень B E 2 Концентрация примесного газа выбирается значительно большей (5:1…10:1), чем концентрация рабочего газа , для того чтобы передача энер - гии при неупругих столкновениях атомам рабочего газа превалировала над передачей энергии атомам примесного газа Уровень A E 1 должен быть маложивущим либо за счет спонтанного из - лучения , либо за счет соударений со стенками трубки ( с этой целью газораз - рядные трубки в лазерах обычно имеют малый диаметр – 2-3 мм ). При этих условиях обеспечивается инверсия населенностей между уровнями A E 2 и A E 1 По такой схеме работает He-Ne- лазер Классификация лазеров Классификация лазеров обычно проводится по типу или по принципу возбуждения используемого рабочего вещества Ниже приведены основные типы лазеров , наиболее широко используемые в настоящее время Неупругие столкновения атомов Спонтанные переходы B Е 2 А Е 2 Лазерный переход А Е 1 Спонтанные переходы и диффузия к стенкам А Е 0 B Е 0 Вспомогательный (примесный) газ Рис. 31 56 Газовые лазеры: • атомарные; • ионные лазеры; • молекулярные: – СО 2 -лазеры, – эксимерные лазеры, – химические. 2. Твердотельные лазеры. 3. Полупроводниковые лазеры. 4. Жидкостные лазеры. 4.2. Газовые лазеры Лазеры на нейтральных атомах. Типичным (и фактически имеющим особенно важное значение) представителем лазеров на нейтральных атомах является гелий-неоновый (He-Ne) лазер. Он может работать на большом чис- ле атомных переходов, среди которых наиболее часто используются перехо- ды с длинами волн: λ = 0.633 мкм, 1.15 мкм и 3.39 мкм. Гелий-неоновый ла- зер является первым газовым лазером, на котором была осуществлена гене- рация (при λ = 1.15 мкм). В настоящее время самым популярным и наиболее распространенным является He-Ne-лазер с длиной волны 0.633 мкм. Схема энергетических уровней He и Ne представлена на рис. 32. Гене- E, эВ 0 1 2 S 1 3 2 S 2 p 0.63 Спонтанные пере- ходы и диффузия к стенкам Э ле кт ро нн ы й уд ар b c 3.39 3 p a 1.15 20 19 Рис. 32 Неупругие столкновения атомов Ne 3 s 2 s 1 s 3 p 4 2 p 4 3 s 2 2 s 2 He 21 57 рация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществ- ления процесса накачки. Действительно, как видно из рисунка, уровни 1 3 2 S и 0 1 2 S гелия близки к уровням 2 s и 3 s неона соответственно Поскольку уровни 1 3 2 S и 0 1 2 S являются метастабильными , гелий обеспечивает очень эффективную накачку уровней 2 s и 3 s неона за счет резонансной передачи энергии Установлено , что этот процесс является доминирующим в создании инверсной населенности в гелий - неоновом лазере , хотя и прямые столкнове - ния электронов с атомами Ne также участвуют в накачке Высокая заселенность уровней неона 2 s и 3 s создает предпосылки для создания инверсии населенностей В соответствии с правилами отбора для уровней неона 2 s и 3 s разрешенными являются переходы в р - состояния Вре - мя жизни s - состояний ( s τ ≅ 100 нс ) на порядок больше времени жизни р-состояний ( p τ ≅ 10 нс ). Таким образом , в данном случае выполняется условие τ 1 << τ , необходимое для работы лазера по четырехуровневой схеме Из этого условия следует , что генерацию можно ожидать на одном из пере - ходов типа a, b или c , показанных на рис . 32. Из совокупности переходов ти - па а самым сильным оказывается переход с подуровня 2 3s группы 3s на подуровень 4 3p группы 3 p ( λ = 3.39 мкм , инфракрасное излучение ). Из пе - реходов типа b самым сильным является переход 4 2 2 3 p s → ( λ = 0.633 мкм , излучение в красной области спектра ), который обычно используется при со - здании промышленных He-Ne- лазеров Переход 4 2 2 2 p s → ( типа с ) дает ге - нерацию на длине волны λ = 1,15 мкм ( инфракрасное излучение ). Длина вол - ны , на которой происходит генерация , выбирается с помощью зеркал резона - тора лазера за счет обеспечения высокого коэффициента отражения зеркал в сравнительно узком спектральном диапазоне Для этой цели используются многослойные диэлектрические зеркала с толщиной слоев , подбираемой для создания максимального отражения на желаемой длине волны Другой способ получения генерации на заданной длине волны иллю - стрируется рис . 33. Из - за дисперсии света в призме генерация в резонаторе может возникать только на определенной длине волны 1 λ В случае гелий - неонового лазера этот метод позволяет получать генерацию для большого набора линий – от желтой ( λ ≅ 0.59 мкм ) до далекой красной ( λ ≅ 0.73 мкм ). 58 Все эти линии генерации соответствуют переходам типа b (рис. 32). В заключение отме- тим, что ширину линии перехо- да определяют три следующих эффекта: • столкновения. Ушире- ние спектральной линии излучения неона за счет столкновений атомов де- тально исследовалось в ряде работ. Усреднение результатов дает значение ширины линии (43), обусловленной столкновениями, МГц 100 2 / ст p = ∆ π ω , давление p газа в миллиметрах ртутного столба (1 мм рт. ст. = 133 Па); • естественное уширение . Среднее значение по результатам различных исследований дает ( ) МГц 19 2 2 / 1 e = πτ = π ω ∆ − , где, согласно (49), ( ) 2 / 1 1 1 − − − τ + τ = τ p s , а s τ и p τ – времена жизни s- и p-уровней соответствен- но. Полная зависимость однородной ширины линии излучения от давления описывается выражением ( ) 1 6 ст c 10 120 20 2 − + π = ω ∆ p ; • доплеровское уширение . Полагая Т = 300 К, из (57) получаем МГц 1700 2 / ≅ π ω ∆ D при λ = 0.633 мкм, 850 МГц при λ = 15 мкм и 470 МГц для перехода с λ = 3.39 мкм. Таким образом, видно, что доплеровский эффект является основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения. Экспериментально измеренное значение ширины линии хорошо согласуется с расчетным, и это свидетельствует о том, что эффективная температура ато- мов неона определяется температурой окружающей среды. Гелий-неоновый лазер в силу сложных процессов возбуждения и ре- лаксации атомов активной среды требует оптимизации ряда рабочих пара- метров. К ним, в частности, относятся: 1) внутренний диаметр газоразрядной трубки ( 2-3 мм); 2) плотность тока разряда; 3) давление неона ( Ne p ≅ ≅ 13 Па); 4) отношение давления неона к давлению гелия ( Ne He : p p = = 5…10). Необходимость оптимизации диаметра трубки возникает из-за того, что состояние 1s (см. рис. 32) является метастабильным и релаксация этого уровня происходит только за счет столкновений со стенками трубки. С уве- личением диаметра газоразрядной трубки уменьшается вероятность распада уровня 1s и происходит накопление атомов на этом уровне, что вызывает ра- λ 2 Рис. 33 λ 1 Активная среда 59 диационный захват на переходе 2р → 1s. Следовательно, скорость излуча- тельной релаксации уменьшается, а это приводит к возможности заселения уровня 2р и, в свою очередь, к уменьшению инверсной населенности. В ре- зультате усиление в лазере оказывается обратно пропорциональным диамет- ру газоразрядной трубки лазера. Однако при очень малых сечениях трубки наблюдаются значительные дифракционные потери и, кроме того,возникают трудности при юстировке лазера. Необходимость оптимизации плотности тока связана с тем, что при больших значениях тока начинают сказываться следующие процессы: ( ) ( ) ( ) Ne 2 Ne , 2 Ne 1 Ne e s e e p s e + → + + → + Оба эти процесса приводят к уменьшению инверсной населенности Существование оптимального давления неона , по - видимому , также связано с тем , что при высоких давлениях интен - сивность этих процессов усиливается Из - за указанных причин выходная мощ - ность He-Ne- лазера не растет монотонно с плотностью тока ( рис . 34). Она дости - гает максимума при некотором опти - мальном значении тока , которое зависит в основном от диаметра разрядной труб - ки и давления газов Ионные лазеры. Излучение ион - ных лазеров лежит в видимом и уль - трафиолетовом диапазонах В качестве примера рассмотрим + Ar - лазер. Этот лазер относятся к электроразрядным, в нем возбуждение активной среды со- здается двухступенчатым путем. При первом соударении нейтрального атома Ar с электроном происходит ионизация атома, а после следующего соударения происходит переход образовавшегося иона на верхний лазерный уровень: ( ) e e e e + → + + → + ∗ + + + Ar Ar ; 2 Ar Ar 0 P max I opt I P I Рис. 34 E, эВ Ar (основное состояние) Ar+ (основное состояние) Лазерный переход Метаста- бильные уровни 720 Å Рис. 35 60 Схема уровней + Ar представлена на рис. 35. Эффективность каждого из приведенных процессов пропорциональна току разряда i, а полная эффектив- ность заселения верхнего лазерного уровня пропорциональна i 2 . Для полу- чения достаточной инверсии необходима большая плотность тока разряда. При малых токах разряда преобладает трехступенчатый процесс, когда по изложенной схеме заселяются метастабильные уровни + Ar , а затем при тре- тьем столкновении с электроном ионы попадают на верхний лазерный уро- вень. Вместе с тем, с ростом тока разряда наблюдается ограничение выход- ной мощности, объясняемое такими процессами, как пленение резонансного ультрафиолетового излучения 72 нм, достижением 100 %-й ионизации и дру- гими процессами. Время жизни верхнего лазерного уровня составляет 8 10 − с , а время жизни нижнего – 9 10 − с , так что выполняются условия работы ла - зера по четырехуровневой схеме Доплеровская ширина линии излучения при температуре газа 3000 К равна 1 9 с 10 5 3 2 − ⋅ ⋅ π = ω ∆ D . На рис. 36 представ- лена схема устройства активного элемента аргонового лазера. Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке про- исходит перекачка ионов к като- ду, поэтому для компенсации этого эффекта предусмотрен об- водной канал. Саму разрядную трубку обычно изготавливают из бериллиевой керамики для предотвращения ее разрушения из-за бомбардировки стенок ионами аргона при высокой температуре. Кроме того, разрядную трубку помещают в постоянное магнитное поле, параллель- ное оси. Возникающая в разряде сила Лоренца удерживает электроны и весь разряд в центральной области трубки, что способствует увеличению скоро- сти накачки и выходной мощности. Аргоновый лазер работает сразу на нескольких длинах волн, причем наиболее интенсивная генерация происходит на длине волны 488 нм (голу- бая) и 514.5 нм (зеленая). Выходная мощность излучения в непрерывном ре- жиме достигает 100 Вт. Одномодовый режим генерации достигается в схемах селекции продольных мод с использованием уголкового отражателя. По H Рис. 36 61 принципу действия и по устройству на аргоновый лазер очень похож крипто- новый лазер, самая яркая длина волны которого составляет 647.1 нм. 4.3. Молекулярные лазеры Лазеры на CO 2 . Обычно в молекулярных лазерах газ состоит из двух- атомных молекул, в которых достаточно сложная структура энергетических уровней. В соответствии с вкладом энергии взаимодействия в полную энер- гию молекулы в газе возможны переходы между электронными энергетиче- скими уровнями (оптический диапазон излучения), колебательными (с уче- том вращательной структуры) энергетическими уровнями (инфракрасный диапазон) и вращательными энергетическими уровнями (радиодиапазон). Одним из самых распространенных молекулярных лазеров является 2 CO - лазер Обычно в нем используется смесь 2 CO , 2 N и Не в соотношении 1:1:10. Схема его колебательных переходов представлена на рис . 37 ( где от - мечены колебательные состояния молекул 2 CO и 2 N ). Колебательный уровень молекулы N 2 является самым низколежащим и практически совпадает с верхним рабочим уровнем 1 00 0 молекулы 2 CO . В электрическом разряде уровень 2 N заселяется очень эффектив - но , и эта энергия при соударе - ниях резонансным образом пе - редается атомам 2 CO , в резуль - тате чего заселяется уровень 1 00 0 Оптические переходы с нижних лазерных уровней в ос - новное состояние происходят очень медленно , поэтому релаксация нижних лазерных уровней осуществляется за счет другого процесса При столкнове - ниях молекул , находящихся на нижних лазерных уровнях , с молекулами , находящимися в основном состоянии , энергия перераспределяется и молеку - лы переходят на промежуточный уровень 0 01 1 : E,эВ 0 00 0 1 CO 2 N 2 0.3 9.6 мкм 01 1 0 02 0 0 0.1 0.2 Основное состояние Э ле кт ро нн ы й уд ар 10.6 мкм 10 0 0 Рис. 37 62 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 01 CO 2 0 00 CO 0 02 CO , 0 01 CO 2 0 00 CO 0 10 CO 2 1 2 0 2 0 2 1 1 2 0 2 0 2 E E ∆ + → + ∆ + → + Поскольку T k E E B << ∆ ∆ 2 1 и , то вероятность этих процессов очень высока и время жизни нижних лазерных уровней снижается до 20 мкс С промежуточного уровня 0 01 1 молекулы очень быстро переходят в основное состояние за счет релаксации при столкновениях с атомами Не, число кото- рых в газовой смеси является преобладающим. Второй причиной, по которой газ Не, обладающий высокой теплопроводностью, введен в смесь, является необходимость хорошей передачи тепла от молекул 2 CO стенкам. Снижение температуры газа уменьшает тепловое заселение нижних лазерных уровней, которые расположены очень близко к основному состоянию. Таким образом, введение 2 N способствует улучшению заселенности верхнего лазерного уровня, а введение Не – обеднению нижнего. Время жизни верхнего уровня составляет 400 мкс, а нижних – 20 мкс. При индуцированных переходах на нижние лазерные уровни генери- руется излучение с длинами волн 10.6 и 9.6 мкм. Кроме того, вследствие сложной структуры вращательных подуров- ней спектральный состав излучения может быть более сложным. Излучение может про- исходить в колебательно-вращательных по- лосах, структура которых представлена на рис. 38. Благодаря такой структуре, 2 CO - лазеры могут легко перестраиваться среди около 100 линий излучения с рас- стояниями между ними порядка 1…10 нм. Из-за более высокого усиления излучение с длиной волны 10.6 мкм обычно подавляет излучение 9.6 мкм. Для выделения одной длины волны исполь- зуют схему селекции длин волн (рис. 39), в кото- рой одно из зеркал резонатора заменяется ди- фракционной решеткой. В 2 CO -лазерах сравни- тельно легко достигается одномодовый режим генерации при больших длинах резонатора. Это объясняется тем, что в типичных условиях для активной среды однородная ширина линии МГц 15 2 = π ω ∆ / L близка к доплеровской МГц 50 2 / = π ω ∆ D . Самая близкая к центру линии усиления мода резонатора ω 0 ω Рис. 38 P-ветвь R-ветвь Активный элемент 4s λ 1 λ 2 Рис. 39 63 насыщает почти весь контур усиления и за счет конкуренции подавляет гене- рацию остальных мод резонатора. 2 CO - лазер хорошо работает в режиме модуляции добротности , кото - рая в простейшем случае может осуществляться вращением с высокой скоро - стью одного из зеркал вокруг оси , лежащей в плоскости его отражающей по - верхности Оптимальный период вращения равен времени жизни верхнего уровня 2 τ = 400 мс В этом случае лазер работает в импульсном режиме Широко применяются несколько видов 2 CO - лазеров : • отпаянные лазеры Для удаления продуктов диссоциации 2 CO в смесь добавляют пары воды В результате реакции H CO CH CO 2 + → + ко - личество 2 CO в смеси восстанавливается К основным свойствам таких лазе - ров относятся автономность и небольшие габариты , выходная мощность обычно составляет 20…30 Вт на метр длины активного элемента При работе в импульсном режиме мощность в импульсе составляет до 10 кВт на 1 м дли - ны активного элемента ; • лазеры с продольной прокачкой газа Их конструкция аналогична конструкции аргонового лазера , показанной на рис . 36. Место обводного ка - нала занимает перекачивающее устройство Основная цель прокачки – уда - ление продуктов диссоциации 2 CO , в частности молекул СО , которые ухуд - шают работу лазера Для повышения длины активного элемента часто ис - пользуют так называемый свернутый резонатор , пример которого приведен на рис . 40. В этой конструкции луч све - та под малым углом многократно про - ходит активный элемент , расположен - ный между двумя плоскими зеркалами , и с помощью дополнительных зеркал возвращается обратно Давление газо - вой смеси составляет 10…15 торр , выходная мощность – около 50 – 70 Вт / м и обычно не превышает нескольких сотен ватт ; • лазеры с поперечной прокачкой газа У предыдущих видов 2 CO - лазеров существует некоторая предельная мощность , определяемая скоростью отвода тепла из рабочего объема газа В них тепло к стенкам резо - натора отводится в основном за счет диффузии Гораздо эффективнее отвод тепла осуществляется , если прокачка газа происходит в направлении , попе - Рис. 40 64 речном по отношению к электрическому разряду (рис. 41). В этом случае от- вод тепла происходит за счет кон- векции и зависимость выходной мощности от тока разряда уже не имеет насыщения. В таких лазерах достигнута мощность до 1 кВт/м; • 2 CO -лазеры с поперечным возбуждением ( ТЕА - лазеры ). В слу - чае лазеров с поперечной накачкой не возникают ограничения по давлению смеси сверху , но поднять давление выше 50…100 торр нелегко , поскольку увеличение давления требует и уве - личения напряжения разряда Данное ограничение можно преодолеть , если пропустить ток в направлении , перпендикулярном оси резонатора Для этого катод и анод выполняются в виде протяженных элементов , расположенных вдоль боковых сторон резонатора Таким образом , в этих лазерах удается поднять давление смеси вплоть до атмосферного и выше Название лазеров соответствует аббревиатуре первых трех слов английского названия Transversely Exited Atmospheric Pressure Lasers Такие лазеры работают в им - пульсном режиме с энергией в импульсе порядка нескольких джоулей на литр рабочего объема ; • газодинамические 2 CO -лазеры. В этих лазерах инверсная населен - ность создается не за счет электрического разряда , а за счет быстрого адиаба - тического расширения газовой смеси , содержащей 2 CO , предварительно нагретой до высокой температуры ( рис . 42). Таким образом , эти лазеры пред - ставляют собой тепловую машину с прямым преобразованием тепловой энергии в энергию электромагнитного поля Типовая смесь состоит из 7.5 % 2 CO , 93 % 2 N и 2 % O H 2 Начальный разогрев газовой смеси дости - гается за счет сгорания СО в воздухе Расширение со сверхзвуковыми скоро - стями после сопла с высотой 0.8 мм необходимо для понижения температуры и давления за время , которое меньше времени жизни верхнего лазерного уровня и больше времени жизни нижнего лазерного уровня Газ 2 N , как по - казано на диаграмме ( рис . 37), за счет резонансной передачи энергии угле - кислому газу поддерживает населенность верхнего лазерного уровня почти неизменной , а населенность нижнего уровня резко падает ( см рис . 42). В ре - зультате , создается протяженная область среды с инверсией населенностей , Вентиля- тор Теплооб- менник Л аз ер Зеркало Рис. 41 65 которая включена в лазерный резонатор. В системах такого типа достигнута мощность генерации в непрерывном режиме порядка 60 кВт. 2 CO - лазеры малой мощности находят в настоящее время применение в области точных измерений , системах передачи информации , биологии и медицине Мощные лазеры широко используются для сварки и резки различ - ных материалов , разделения изотопов различных элементов , а также в каче - стве источников излучения для оптической накачки лазеров далекого инфра - красного диапазона |