Lumea de materiale moderne - principii de funcționare a laserului

Laser (din limba engleză «lumină amplificare prin emisie stimulată de radiație» -. «Amplificarea luminii prin stimularea radiații") sau generatorul cuantic optic - un tip special de o sursă de radiație cu corpul radiant feedback-ul, care este invers populat miercuri. Principiile de funcționare a laserului bazate pe proprietățile luminii laser. monochromaticity și coerență ridicată (spațială și temporală). T akzhe la numărul de caracteristici de radiație includ adesea o divergență mică unghiulară (uneori, puteți veni peste termenul „radiații de mare directivitate“), care, la rândul său, permite să vorbim despre radiații laser de mare intensitate. Astfel, pentru a înțelege principiile de funcționare a laserului, este necesar să se vorbească, caracteristicile radiației laser și medii invers-populate - una dintre cele trei componente principale ale laserului.

Spectrul radiației laser. Monochromaticity.

Una dintre caracteristicile oricărei surse de radiații este gama. Sun, dispozitive de iluminat de uz casnic au o gamă largă de radiații, în care componentele sunt prezente cu diferite lungimi de undă. ochiul nostru percepe radiații, cum ar fi lumina alba, în cazul în care intensitatea diferitelor componente în acesta este aproximativ aceeași ca lumina sau cu orice nuanță (de exemplu, dominat de componente de lumină verde și galben în Soarele nostru).

surse de lumină laser, pe de altă parte, au un interval foarte îngust. În unele aproximație, putem spune că toate fotonii de radiație laser au aceleași (sau similare) lungimi de undă. Astfel, un laser cu rubin, de exemplu, are o lungime de undă de 694,3 nm, ceea ce corespunde la lumină nuanță roșu. lungime de undă relativ apropiate (632,8 nm) și are un prim laser de gaz - heliu-neon. cu laser argon gaz-ion, în schimb, are o lungime de undă de 488,0 nm, care este percepută de ochi ca culoarea noastră turcoaz (intermediar între verde și albastru). Laserele bazat pe safir dopat cu ioni de titan, are o lungime de undă situată în regiunea în infraroșu (de obicei, aproape 800 nm lungime de undă), și, prin urmare, radiația este invizibil pentru oameni. Unele lasere (de exemplu, semiconductor rotirea rețelei de difracție ca oglinda de ieșire) poate reconstrui radiația de lungime. Comună pentru toate lasere, cu toate acestea, este faptul că cea mai mare parte a energiei lor de radiație este concentrată într-un domeniu spectral îngust. Această caracteristică cu laser numit monocromatic (din limba greacă. „O culoare“). Fig. 1 pentru a ilustra proprietățile spectrul radiației solare (la nivelul straturilor exterioare ale atmosferei la nivelul mării) și cu laser semiconductor fabricat de Thorlabs.

Fig. 1. Spectrele radiației solare și un laser semiconductor.

Gradul de monochromaticity a radiației laser poate fi caracterizată prin lățimea spectrală a liniei laser (lățimea poate fi specificat ca lungimea de undă detuning sau frecvența intensitatea maximă). De obicei, lățimea spectrală este definită de nivelul 1/2 (FWHM), 1 / e, sau 1/10 din intensitatea maximă. În unele instalații moderne de radiație laser a atins lățimea vârfului unui kHz câteva, care corespunde lățimii liniei laser este mai mică decât o miliardime de nanometri. De Experții au observat că lățimea liniei laser poate fi de mai multe ordine de mărime mai îngustă decât lățimea emisiei spontane, care este de asemenea una dintre caracteristicile distinctive ale laserului (în comparație, de exemplu, cu surse fluorescente și superluminescent).

Coerența radiației laser

Monochromaticity - un important, dar nu este singura proprietate cu laser. O altă trăsătură definitorie a radiației laser este coerența. De obicei, vorbesc despre coerența spațială și temporală.

Imaginați-vă că fasciculul laser este împărțit în jumătate de o oglindă semitransparentă: energia fasciculului trecut prin jumătate de oglindă, este reflectată, iar cealaltă jumătate a mers la un sistem de oglinzi de ghidare (figura 2). După aceea, al doilea fascicul este redus din nou la prima, dar cu o anumită întârziere de timp. Timpul maxim de întârziere la care grinzile pot interfera (adică interacționează cu faza de radiație, nu numai în intensitate) se numește timp de coerență a radiației laser și lungimea căii elementare, care a doua grindă a trecut din cauza devierii sale - lungimea longitudinală coerență. lungime coerență longitudinală lasere moderne poate depăși kilometru, cu toate că pentru majoritatea aplicațiilor (de ex. pentru lasere de prelucrare a materialelor industriale) o astfel de coerență spațială ridicată a fasciculului laser nu este necesară.

Puteți împărți raza laser într-un mod diferit: în loc de a oglinzii semitransparente pentru a pune o suprafață reflectorizantă pe deplin, dar nu acoperă întregul fascicul, și numai o parte a acestuia (figura 2). Apoi, se va observa interacțiunea radiațiilor care se răspândesc în diferite părți ale fasciculului. Distanța maximă dintre punctele de grindă, radiația care va interveni, numită lungimea coerenței transversală a fasciculului laser. Desigur, pentru mai multe lasere lungime de coerență transversală este doar egal cu diametrul razei laser.

Fig. 2. Pentru a explica conceptele de coerență temporale și spațiale

Nu contează cum am încercat să facem fasciculul laser paralel, acesta va avea întotdeauna o divergență unghiulară nenul. Minim posibil Divergența laser cu unghi α d (limita de difracție «"), în ordinea de mărime dată de expresia:

unde λ - lungimea radiației laser și D - lățimea razei emergente din laser. Este ușor de calculat că la o lungime de undă de 0,5 microni (radiații verde) și lățimea fasciculului laser este de 5 mm, unghiul de divergență va fi

10 -4 rad, sau 1/200 dintr-un grad. În ciuda o astfel de valoare scăzută, divergența unghiulară pot fi critice pentru unele aplicații (de exemplu, pentru lasere utilizate în sistemele de comunicații prin satelit militare), deoarece stabilește o limită superioară a densității de putere realizabilă a radiației laser.

În general, calitatea razei laser poate fi setat prin parametrul M 2. Lăsați suprafața minimă la fața locului realizabile creat lentile ideală atunci când focalizarea fasciculului Gaussian este egală cu S. Apoi, în cazul în care aceeași lentilă focalizează fasciculul din acest laser zona fața locului S 1> S. parametrul M 2 al laserului radiații este:

Pentru parametrul sisteme laser de cea mai înaltă calitate M 2 este aproape de unitate (parametru specific lasere, disponibile în comerț egal cu 2. 1,05 M). Cu toate acestea, trebuie să se țină seama de faptul că nu toate clasele de lasere până în prezent a atins o valoare scăzută a acestui parametru, este necesar să se ia în considerare atunci când aleg o clasă cu laser pentru o anumită sarcină.

Am condus pe scurt principalele proprietati ale luminii laser. Acum vom descrie principalele componente ale laserului: un mediu cu o populație inversată, rezonatorul laser, nivelurile de pompare cu laser și de circuit cu laser.

Medie, cu populație inversată. nivele cu laser sistem. Randamentul cuantic.

Elementul principal care transformă o sursă de energie externă (nonlaser radiație electrică, energie, energie suplimentară cu laser pompa) în lumină, un mediu în care inversiunea populației creat perechi. Termenul „inversiunea populației“ înseamnă că o anumită proporție din particulele structurale ale mediului (molecule, atomi sau ioni) este tradus într-o stare excitată, și pentru o pereche de nivele energetice ale particulelor (nivelele cu laser superioare și inferioare), la nivel energetic superior este mai multe particule decât pe teren.

La trecerea printr-un mediu cu o cuante de radiație a populației inversat, care au o energie egală cu diferența dintre două nivele de energie ale laserului poate crește, eliminând astfel partea de excitație a centrilor activi (atomi / molecule / ioni). Amplification are loc prin formarea de noi cuante de radiație electromagnetică având aceeași lungime de undă, direcția de propagare, de fază și starea de polarizare ca fotonul original. Astfel de pachete, un laser este generat de identic (egal cu putere, coerente și se deplasează într-o singură direcție) fotoni (Fig. 3), care definește proprietățile de bază ale radiației laser.

Fig. 3. Generarea de fotoni coerente prin emisie stimulată.

Pentru a crea o inversare a populației în mediul sistemului format din doar două nivele, cu toate acestea, este imposibil [1], în apropierea clasică. lasere moderne au de obicei un sistem cu trei niveluri sau patru niveluri, participarea razei laser. Mediul de excitație transportă unitatea structurală la cel mai înalt nivel la care particulele într-un timp scurt, se pot relaxa la o valoare energetică mai mică - nivelul superior cu laser. Lasing implicat ca unul dintre nivelul inferior - starea fundamentală a unui atom într-o schemă de trei niveluri sau intermediar - în patru (figura 4). Schema de patru niveluri este mai de preferat, având în vedere faptul că stratul intermediar este, de obicei, locuită de o cantitate mult mai mică de particule decât starea solului, respectiv, pentru a crea o inversare a populației (exces de particule excitate peste numărul atomilor de nivel cu laser inferior) este mult mai ușor (pentru a începe lasing trebuie informați cantitate medie minimă de energie).

Fig. 4. Sistemul cu trei niveluri și patru niveluri.

Astfel, atunci când oscilație cu laser imprimată valoarea minimă a mediu de lucru egal cu energia energia de excitare a nivelului superior, iar lasing are loc între cele două straturi inferioare. Aceasta conduce la faptul că raportul de eficiență laser a fost inițial limitată la energia de excitare a tranziției cu laser. Acest raport se numește eficiența cuantică a laserului. Trebuie remarcat faptul că, în general, eficiența puterii laserului în timp (și, în unele cazuri, chiar și în mai multe zeci de ori) mai puțin decât randamentul cuantic.

În lasere moderne folosesc diferite metode pentru a crea o inversare de populație sau de pompare cu laser.

Pompa cu laser. pompare moduri.

Pentru a genera radiația laser este pornit, este necesar să se aducă energie pentru mediul său activ pentru a crea o inversare a populației în acesta. Acest proces este numit laser pompat. Există mai multe metode de bază pentru pompare, a cărui aplicabilitate în special un laser depinde de tipul de mediu activ. Astfel, pentru unele lasere cu gaz și excimer care funcționează în modul puls (de exemplu, CO 2 - laser) din mediul laser, excitarea moleculelor printr-o descărcare electrică. In lasere cu gaz continuu pot fi utilizate pentru pomparea unui descărcare luminiscentă. Laserul de pompare semiconductor se realizează prin aplicarea unei tensiuni la p - n tranziția laser. Pentru lasere cu semiconductori se poate utiliza o sursă necoerente radiație (lampă flash, o linie sau o matrice de diode emițătoare de lumină) sau alt laser, a căror lungime de undă corespunde diferenței de energie între sol și stările excitate ale atomului de impuritate (în stare solidă lasere tind lasing are loc de atomi sau ioni, impuritățile dizolvate în grila de matrice - de exemplu pentru ionii cu laser cu rubin dopante active sunt crom).

Rezumând, se poate spune că o metodă de pompare cu laser este definită în funcție de tipul și caracteristicile sitului activ mediu generatoare. De obicei, pentru fiecare tip de laser are cea mai eficientă metodă de pompare care determină tipul și structura sistemului care furnizează energie pentru mediul activ.

Rezonator cu laser. Condiții lasing. rezonatoare stabile și instabile.

sistem de livrare mediu activ și să-l putere este încă insuficientă pentru apariția lasing, deși se bazează pe ele au unele posibilă construirea dispozitivului (de exemplu, un amplificator sau radiație superluminescent sursă). Lasing, și anume emisie de lumină coerentă monocromatică are loc numai cu feedback-ul, sau rezonator laser.

In cazul cel mai simplu, rezonatorul este o pereche de oglinzi, din care una (laser de ieșire oglindă) este semi-transparent. Ca o altă oglindă, așezați în general, un reflector cu un grad de reflexie la lungimea de undă lasing aproape 100% ( „oglindă dull“) pentru a evita razei laser „două laterale“ și pierdere inutilă de energie.

Rezonatorul cu laser oferă o parte de întoarcere a radiației înapoi la mediul activ. Această condiție este esențială pentru apariția unei radiații coerente și monocromatică, așa cum a revenit pe fotoni miercuri va cauza radiatii identica cu frecventa si faza a fotonilor. Prin urmare, reapară în mediul activ al fotonilor de radiație sunt coerente cu puse deja în afara cavității. Astfel, proprietățile caracteristice ale radiației laser este prevăzut în multe privințe proiectarea și calitatea rezonator laser.

Coeficientul de reflexie al oglinzii de ieșire semitransparent rezonator cu laser este selectată astfel încât pentru a maximiza puterea de ieșire a laserului, fie pe baza simplității tehnologice de fabricație. Astfel, în unele lasere de fibre ca oglinzi de ieșire pot fi utilizate fără probleme scindat față de capăt a fibrei optice.

O condiție evidentă pentru oscilații cu laser stabil este o condiție a egalității pierderilor optice în rezonatorul laserului (inclusiv pierderile de radiații prin oglinda ieșire rezonatorului) și câștigul de radiație în mediul activ:

unde L = lungimea mediul activ, a - câștigul în mediul activ, R1 și R2 - coeficienții de reflexie ale oglinzilor cavității și g - gri“pierderi« în mediul activ (adică, pierderile de radiații asociate cu fluctuațiile de densitate, defect cu laser mediu, împrăștierea radiației și alte tipuri de pierderi optice, cauzând atenuarea radiației care trece prin mediu, altele decât direct atomii mediu de absorbție a radiației cuante). Ultimul factor «X» desemnează toate celelalte pierderi care sunt prezente în laser (de exemplu, un element special care absoarbe cu laser pentru a genera impulsuri laser de scurtă durată pot fi introduse), în absența lor, este egal cu 1. Pentru a obține o condiție pentru razei laser de dezvoltare a fotonilor emiși spontan în mod evident, egalitatea este necesar să se înlocuiască semnul „>“.

Din ecuația (3) se obține următoarea regulă pentru selectarea oglinzii laserului de ieșire în cazul în care amplificarea radiației mediu activ cu lumina de pierdere gri (a - g) x L este mică, reflexie a oglinzii de ieșire R 1 trebuie să fie selectată de mare, astfel încât lasing nu este amortizată -acesta radiații din cavitate. În cazul în care câștigul este suficient de mare, de obicei face sens pentru a selecta valoarea minimă ca R 1. reflectivitate mare va conduce la o creștere a intensității radiației în interiorul cavității, ceea ce poate afecta durata de viață a laserului.

Cu toate acestea, laserul aliniere a rezonatorului are nevoie. Presupunem că rezonatorul este compus din două paralele, dar nu se alinieze oglinzi (de exemplu, la un unghi între ele). In acest rezonator, radiația care trece prin active de mai multe ori medii, dincolo de laser (Fig. 5). Rezonatoare, în care radiația într-un timp finit trece dincolo de ea, sunt numite volatile. Astfel de rezonatoare sunt utilizate în unele sisteme (de exemplu, lasere, un mare impulsuri de putere de proiectare de construcții), dar de obicei rezonator instabilitatea în aplicațiile practice încearcă să evite.

Fig. 5. Un rezonator instabil cu oglinzi aliniate greșit; un rezonator stabil și

un fascicul de staționare de radiație în ea.

Pentru a mări stabilitatea oglinzilor rezonator este utilizat ca suprafața de reflexie curbată. Pentru anumite valori ale razelor cavității suprafețe reflectante este insensibil la mică aliniere perturbații care permite de a simplifica lucrul cu laserul.

Vom descrie pe scurt minim necesar setul de elemente pentru laser și principalele caracteristici ale radiației laser.