лазер

ЛАЗЕР (LASER, аббревиатура слов англ. фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света в результате вынужденного излучения)

устройство, преобразующее разл. виды энергии (электрич., световую, хим., тепловую и др.) в энергию когерентного электромагн. излучения. В основе работы Л. лежит процесс вынужденного испускания электромагн. излучения (фотонов) атомами и др. квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях. Так, атом, находящийся в состоянии 2 с энергией W₂, может перейти в состояние 1 с меньшей энергией W_l, испустив при этом фотон с частотой v₂₁=(W₂—W₁)/h, где h-постоянная Планка (рис. 1). Излучат. переход может произойти как самопроизвольно (спонтанное испускание), так и под действием внеш. электромагн. излучения (вынужденное, или индуцированное, испускание). При спонтанном испускании частота v фотона может отличаться от v₂₁ в некоторых пределах Δv_л, т. к. в реальной квантовой системе энергетич. уровни не строго дискретны, а занимают некоторые интервалы энергии ΔW₂ и ΔW₁.

_{Рис. 1. Энергетич. уровни квантовой системы, используемой в качестве активной среды лазера. ΔW2} и ΔW₁ — ширины энергетич. состояний W₂ и W₁, обычно определяемые по полуспаду плотности состояний. Показаны переходы, соответствующие поглощению и испусканию фотона hv.

Контур спектральной линии спонтанного излучения описывается плавной кривой S(v, v₂₁) (рис. 2); направление распространения излучения и фаза произвольны.

_{Рис. 2. Спектральная линия активной среды лазера. S(v, v21}) — относит. число спонтанно испущенных фотонов на частоте v'; v₂₁ — резонансная частота, Δv_л — полуширина спектральной линии.

При вынужденном испускании фотоны неотличимы от внеш. фотонов, воздействующих на систему. В частности, если воздействующее излучение монохроматично (частота v') и имеет определенное направление распространения, индуцир. излучение имеет ту же частоту v' и то же направление распространения. Вероятность вынужденного испускания зависит от частоты v' воздействующего излучения: она пропорциональна фактору S(v', v₂₁) и имеет значение тем большее, чем ближе v' к резонансной частоте v₂₁. Важным является то обстоятельство, что вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности воздействующей волны (плотности фотонов). При обратном переходе 1:2 происходит поглощение фотона атомом на той же частоте v₁₂, вероятность которого также пропорциональна плотности фотонов воздействующей волны и фактору S(v, v₁₂). Поэтому преобладание вынужденного испускания над поглощением возможно лишь при выполнении условия: N₂/g₂>N₁/g₁, где N₂ и N₁ — населенности состояний 2 и 1 соотв. (числа атомов в единице объема вещества, находящихся на энергетич. уровнях 2 и 1), g₂ и g₁ — статистич. веса этих состояний. При термодинамич. равновесии всегда N₂/g₂l/g_l, поэтому условие N₂/g₂-N₁/g_l>0, наз. инверсией населенности, м. б. обеспечено лишь в термодинамически неравновесной системе. Этого достигают накачкой — подводом к системе энергии и созданием термодинамически неравновесного распределения частиц по энергетич. уровням системы. Вещество, в котором создана инверсия населенности, наз. активной средой (активным веществом). В Л. отдельные акты вынужденного испускания превращ. в генерацию когерентного электромагн. излучения благодаря положит. обратной связи, при которой один испущенный фотон многократно вызывает новые акты вынужденного испускания точно таких же фотонов. Первоисточником волны являются спонтанно испущенные фотоны, из которых наиб. число имеют резонансную частоту v₂₁; под их воздействием начинается индуцир. испускание на той же частоте. Постепенно фотоны с частотой v_2l станут доминировать над всеми остальными, т. е. система начнет излучать монохроматич. электромагн. волну. Описанная обратная связь в Л. осуществляется с помощью резонатора. Простейший резонатор для излучения в оптич. диапазоне представляет собой два зеркала, между которыми помещается активная среда. Одно из зеркал делается частично прозрачным для выхода части излучения, используемого потребителем. Остальное излучение отражается от зеркала и вновь возвращается в активную среду, вызывая новые индуцир. переходы. В результате происходит увеличение интенсивности волны — усиление. Для того чтобы усиление в активной среде скомпенсировало отвод из резонатора части излученной энергии, значение инверсной разности населенностей ΔN=N₂/g₂-N₁/g_l должно превышать определенное пороговое значение ΔN_П, которое зависит от длины L активной среды между зеркалами, коэф. отражения r частично прозрачного зеркала и сечения а резонансного квантового перехода согласно соотношению:

ΔN_П=(l/σL)lnl/r (1)

Как правило, в пределы Δv_П спектральной линии активного вещества может попадать неск. резонансных частот (резонансных мод) резонатора (рис. 3), главные из которых отделены друг от друга частотным интервалом Δv=c/2L, где с — скорость света в активной среде. Поэтому Л. генерирует не одну частоту v₀~v₂₁, а набор частот v_j=v₀+jc/2L (j — целое число), которые определяют спектр лазерного излучения. С отстройкой частоты излучения от резонансного значения уменьшается вероятность индуцир. перехода и возрастает пороговая инверсная населенность.

_{Рис. 3. Спектральная линия активной среды лазера и моды (резонансные частоты) оптич. резонатора.}

Таким образом, Л., работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех компонентов (рис. 4): системы накачки — устройства, поставляющего энергию в Л. для переработки ее в когерентную волну; активной среды, которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентного излучения, и резонатора, осуществляющего обратную связь.

_{Рис. 4. Простейшая схема лазера: 1 — активная среда; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — частично прозрачное зеркало, через которое осуществляется вывод генерируемого излучения; 4 — система накачки (здесь — газоразрядные лампы).}

Л. может работать и как усилитель когерентного излучения. В этом случае обратная связь не обязательна, волна просто распространяется по активной среде, увеличивая свою мощность (энергию). Размножение фотонов в резонаторе Л. и выход части из них через полупрозрачное зеркало можно рассматривать как разветвленную цепную реакцию рождения фотонов при индуцир. переходах и их адсорбцию на поверхности зеркала Z с коэффициентом (1—r) при каждом столкновении:

где А^* и А — возбужденные частицы в состояниях, между которыми происходит квантовый переход, n-число частиц в единице объема резонатора. Если процесс накачки представить как превращ. А в А^* вследствие передачи энергии при столкновении с некоторыми условными частицами Q:

а релаксацию энергии возбуждения — как гибель возбужденных частиц А^* при столкновении с условными частицами М:

то работу Л. можно описывать кинетич. уравнениями как изменение за время t в резонаторе числа фотонов dn/dt и изменение за время t концентраций частиц d[А^*]/dt и d[А]/dt:

dn/dt+k_Zn=Bn([А^*]/g^*-[А]/g); d[А^*]/dt+k_М[М][А^*]-Bn([А^*]/g^*-[А]/g)=k_Q[Q][A]; (6) d[А]/dt-k_М[М][А^*]+Bn(A^*]/g^*-[А]/g)=-k_Q[Q][A],

где g и g^* — статистич. веса соответствующих состояний; B, k_Z, k_Q и k_M — константы скорости процессов (2), (3), (4) и (5) соответственно. Их значения легко связать с сечением σ, параметрами резонатора L и r, свойствами активного вещества, способом накачки; тогда уравнения (6) выражают осн. энергетич. соотношения при генерации Л. когерентного излучения. Они позволяют применять для расчетов методы, разработанные для нелинейных хим. процессов (см. неравновесная химическая кинетика).

Накачка Л. Создание в активном веществе инверсии населенности производится разными способами. Чаще всего используют воздействие на вещество электромагн. излучения (оптич. накачка), электрич. разряда, пучка электронов с энергией от неск. десятков эВ до МэВ (электронный удар), высокотемпературный нагрев вещества с послед. быстрым охлаждением (тепловая накачка), экзотермич. хим. реакции в веществе, инжекцию носителей заряда в область р-n — перехода в полупроводнике под действием электрич. поля. Рассмотрим некоторые способы накачки. Оптич. накачку осуществляют чаще всего с помощью газоразрядных ламп в импульсном или непрерывном режимах работы. Поскольку их излучение имеет широкий спектр, в качестве активной среды необходимо применять материалы с широкими полосами поглощения. Однако с ростом ширины спектральной линии уменьшается сечение а и потому трудно достичь пороговых значений ΔN_П, согласно (1). Задачу решают для разл. активных сред по-разному. Рассмотрим, напр., схему накачки рубинового Л., в котором для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни иона Cr³⁺, внедренного в решетку корунда α-Al₂O₃ (рис. 5). В результате поглощения излучения hv₃₁ широкополосной газоразрядной лампы ионы Cr³⁺ переводятся из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3, представляющее собой довольно широкую полосу энергетич. уровней. Затем сравнительно быстро происходит передача части энергии возбуждения решетке кристалла и безызлучат. переход Cr³⁺ в состояние 2, из которого самопроизвольный переход в основное состояние 1 происходит сравнительно медленно (время жизни возбужденного состояния t₂₁~10⁻³ с).

_{Рис. 5. Принципиальная схема энергетич. уровней рубина. Стрелками вверх указано поглощение энергии накачки hv31}, стрелками вниз — безызлучат. переходы. Двойная линия — лазерный переход на частоте v_2l.

Инверсия населенности возникнет, если в состоянии 2 окажется более половины всех ионов Cr³⁺. При концентрации N₂ ионов Cr³⁺ в кристалле порядка 10¹⁹ см⁻³ это достигается, если энергия, поглощаемая за 1 с в 1 см³ рубина (уд. мощность накачки), составляет Р_уд=hv_3lN₂t⁻¹₂₁]10³ Вт/см³. Сечение σ перехода 2:1 в рубине таково, что для генерации когерентного излучения на длине волны 0,69 мкм достаточно выполнения условия: (N₂/g₂-N₁/g₁)~10¹⁷ см⁻³ при длине кристалла ~10 см и коэффициенте r ~90%. На практике применяют кристаллы рубина, представляющие собой цилиндрич. стержни длиной 10–30 см и диаметром ~ 1 см. Аналогична схема накачки для Л. на основе стекол и иттрий-алюминиевого граната, активированных Nd, и некоторых др. твердотельных Л., в которых для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни примесных ионов. Оптич. накачку применяют также в Л. на красителях (жидкие активные среды) и ряде др. Др. схема оптич. накачки основана на том, что при поглощении широкополосного спектра излучения происходит фотолиз молекул с появлением радикалов и возбужденных атомов, последние и образуют активную среду Л. Например, при фотолизе молекулы C₃F₇I под действием УФ излучения с длиной волны 200–250 нм возникает возбужденный атом I в состоянии ³Р_1/2

C₃F₇I+hv_уф:C₃Р₇+I(³P_1/2)

При переходе атома I в состояние ³Р_3/2 излучается фотон с длиной волны 1,315 мкм:

I(³P_1/2)+nhv:(n+l)hv+I(³Р_3/2)

Электронный удар применяют в осн. для накачки газовых Л. Накачка основана на возбуждении атома при его соударении с электроном, обладающим достаточно большой кинетич. энергией. Например, в He-Ne-Л. происходят след. процессы (рис. 6):

He(1¹S)+е:Не³+е, He(1¹S)+е:Не⁺+2e,

где l¹S — осн. состояние атома Не, а Не^* — одно из его возбужденных состояний. Релаксация энергии возбуждения и рекомбинация ионов с электронами протекают в этой системе таким образом, что возбужденные атомы Не^B скапливаются на метастабильных уровнях 2¹S и 2³S. Инверсная населенность получается при передаче энергии возбуждения от Не к Ne, уровни которого 3S и 2S близки по энергии к 2¹S и 2³S уровням Не:

He(2¹S)+Ne(lS):Не(1¹S)+Ne(3S) He(2³S)+Ne(lS):He(l¹S)+Ne(2S)

Переходы 3S:3P, 3S:2P или 2S:2P в Ne используются для генерации когерентного излучения на длинах волн 3,39, 0,63 или 1,15 мкм соответственно.

_{Рис. 6. Схема электронных уровней Не и Ne, используемых для накачки Не — Ne — лазера электронным ударом в газовом разряде.}

Электронный удар применяют также для накачки CO₂- и СО-лазеров, Л. на парах металлов, эксимерных (точнее, эксиплексных), а также некоторых полупроводниковых Л. Тепловая накачка Л. происходит при быстром охлаждении сильно нагретых газовых смесей. При надлежащем подборе компонентов смеси удается найти такие системы энергетич. уровней частиц, в которых нижележащие уровни "охлаждаются" (опустошаются) быстрее, чем вышележащие. Это приводит к образованию инверсной населенности. Практически наиб. удобный способ охлаждения — сверхзвуковое истечение газов через сопло; наиб. удачные активные среды-смеси N₂-CO₂-He и N₂-CO₂-H₂O. Л. с тепловой накачкой на этих активных средах наз. тепловыми газодинамич. Л. О химической накачке см. лазеры химические. Инжекция носителей тока через p-n-переход — осн. способ накачки полупроводниковых Л. Активная среда представляет собой кристалл-полупроводник, состоящий из областей р- и n-типа (рис. 7). Между этими областями возникает контактная разность потенциалов, уравновешивающая потоки носителей из одной части в другую;

_{Рис. 7. Инжекционный полупроводниковый лазер. Область потенциального барьера (p-n-перехода) заштрихована. (+) и (-) — контакты для приложения напряжения. Лазерное излучение hv направлено перпендикулярно плоскости рисунка (волнистая линия со стрелкой).}

электрич. ток через контакт равен нулю. Если к образцу приложить электрич. напряжение, равное по величине контактной разности потенциалов, возникнут потоки носителей навстречу друг другу и их рекомбинация с испусканием фотонов. Зеркалами оптич. резонатора в таком Л. служат хорошо отполированные плоскопараллельные грани самого кристалла. Наиб. совершенные инжекционные Л. представляют собой более сложную структуру (гетероструктуру). Важная особенность инжекционных Л. — их миниатюрность; длина активной зоны обычно неск. мм, рабочая часть p-n-перехода имеет размеры в направлении протекания тока ~1 мкм, поперечный размер — обычно 1 мм. Типы Л. и их применение. Л. можно классифицировать по типу активной среды (твердотельные, в т. ч. полупроводниковые Л., газовые, Л. на жидких красителях и т. п.), по способу накачки или по др. признакам, однако ни одна из таких классификаций не является однозначной. По совокупности некоторых признаков (тип среды, способ накачки, режим работы, мощность генерируемого излучения и др.) удобно выделить след. Л.:

1. Твердотельные Л. на стеклах и иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ-Л.), активированных Nd (длина волны генерируемого излучения λ=1,06 мкм), рубиновые Л. (λ=0,69 мкм). Используют оптич. накачку с помощью газоразрядных ламп; возможна работа Л. в импульсном и импульсно-периодич. режимах (стекла и рубин; для ИАГ-Л. возможен и непрерывный режим работы). Энергия, генерируемая в режиме одиночных импульсов длительностью до 10⁻³ с, может достигать 10³ Дж за импульс с одного стержня стекла, активированного Nd. Уникальные установки на этом материале могут генерировать до 100 кДж за импульс длительностью 10⁻⁹ с. Мощность ИАГ-Л. в непрерывном режиме может достигать сотен Вт.

2. Электроразрядные Л. низкого давления на смесях благородных газов (He-Ne, Не-Хе и др.). Маломощные системы, генерирующие излучение высокой монохроматичности и направленности. Наиб. применение получил He-Ne-Л. (λ=0,628 и 3,39 мкм).

3. Полупроводниковые Л. Накачка инжекцией носителей тока через р-n-переход или гетеропереход, а также облучением поверхности полупроводника электронным пучком. Возможна и оптич. накачка, хотя широкого распространения полупроводниковые Л. с оптич. накачкой не получили. Инжекционные Л. миниатюрны, имеют большой кпд, могут работать в импульсном и непрерывном режимах. На основе твердых растворов, напр. системы Ga|In|Ar|Sb, можно получить излучение в дальнем, среднем и ближнем ИК диапазонах (длина волны от 0,6 до 6 мкм). Л. с электронной накачкой генерируют излучение в ближнем ИК и во всем видимом диапазонах.

4. N₂-CO₂ и N₂-СО-Л. (λ=9–11 мкм для CO₂ и 5–6 мкм для CO). Накачка электрич. разрядом, практически достижимая мощность излучения в непрерывном режиме — более десятка кВт; возможны также импульсный и импульсно-периодич. режимы работы.

5. Ионный аргоновый Л. непрерывного действия (λ=488 и 514 мкм). Накачка электрич. разрядом, мощностью до неск. десятков Вт.

6. Л. на парах металлов (Cu, Cd, Se, Sn и др.) в смеси с Не. Накачка электрич. разрядом. Наиб. перспективен медный Л. (λ=510нм); режимы работы — импульсно-периодич. и непрерывный; мощность излучения — дeсятки Вт.

7. Эксимерные Л. на смеси благородных газов с фтором, хлором, фторидами. Накачка сильноточным электронным пучком или поперечным электрич. разрядом. Генерирует излучение в УФ диапазоне, режим работы импульсный.

8. Фотодиссоциационные Л. наиб. распространение получил йодный Л. (λ=1,315 мкм), работающий в режиме мощных одиночных импульсов.

9. Л. на жидких красителях; накачка оптическая с помощью газоразрядных ламп или Л. др. типов. Главное преимущество перед др. типами Л. — возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне.

10. Хим. Л. со смесью газов в качестве активной среды. Генерируется излучение широкого спектра в ближнем ИК диапазоне. Осн. преимущество — возможность получения непрерывного излучения больших мощностей (сотни кВт) и энергий в импульсе (десятки кДж).

11. Газодинами ч. Л. с тепловой накачкой. Осн. рабочая смесь — N₂-CO₂-Не или N₂ — CO₂ — H₂O; излучающая молекула — колебательно возбужденный CO₂; возможно получение мощностей излучения порядка сотен кВт. Разработаны Л. с излучающими молекулами CO, CS₂, N₂O.

12. Л. на своб. электронах. Перспективная система, широко обсуждаемая в литературе; практически используемых систем в оптич. диапазоне пока нет.

13. Л. рентгеновского диапазона. Пока разработаны только лаб. варианты с генерированием излучения l~20 нм.

14. Гамма-лазеры на ядерных переходах пока не осуществлены.

Применение Л. чрезвычайно широко и определяется свойствами генерируемого излучения. Так, большая частота (в сравнении с радиодиапазоном) и высокая монохроматичность излучения обеспечивают возможность передачи на большие расстояния по световодам больших объемов информации. Предполагается, что лазерно-волоконная связь станет в ближайшем будущем доминирующей. Используют в осн. полупроводниковые Л. На высокой когерентности лазерного излучения основано применение Л. для получения объемных изображений (голография). Большие мощности излучения в непрерывном и импульснопериодич. режимах и возможность фокусировки лазерного луча в пятно требуемого размера обусловливают использование Л. для резки и сварки материалов, обработки и закалки поверхности. Используют в осн. твердотельные Л. на люминесцирующих средах, газовые Л. высокого давления (N₂-CO₂ и N₂-CO), газодинамич. Л. с тепловой накачкой. Быстро расширяется применение Л. в медицине, гл. обр. в офтальмологии (для приварки сетчатки глаза и при др. операциях), в хирургии — в качестве скальпеля, что особенно эффективно при операциях на кровенасыщенных органах; для стерилизации ран; для эндоскопии внутр. органов и остановки внутр. кровотечений. Используют в осн. Л. рубиновые, аргоновые, на парах меди, иттрий-алюминиевом гранате, N₂-CO₂. В метрологии Л. используют для создания единого оптич. стандарта длины — времени. В частности, с помощью спец. образом стабилизированного по частоте He-Ne-Л. удалось на два порядка улучшить точность измерения длины по сравнению с криптоновым эталоном. Применяют Л. для управления хим. и биол. процессами (см. лазерная химия), для зондирования атмосферы, в вычислит, технике для записи и считывания информации, в быту — в звукои видеовоспроизводящих устройствах высокого качества. Революционизирующее влияние оказало применение Л. в разл. областях науки. На принципиально новую основу поставлена спектроскопия (см. лазерная спектроскопия), появились новые области науки и техники-нелинейная оптика, оптоэлектроника, интегральная оптика. Разрабатываются способы изотопов разделения с использованием Л. на красителях, N₂-CO₂-Л. и ряда других, системы для проведения экспериментов по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС).

^{Лит.: Квантовая электроника, М., 1969 (сер. Маленькая энциклопедия); Справочник по лазерам, под ред. А.М. Прохорова, пер. с англ., М., 1978; О'Шиа Д., Коллен Р.. Роде У, Лазерная техника, пер. с англ., М., 1980.}

_{А. Н. Ораевский}