Лазери і їх види

Лазер – прилад для отримання потужного електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні довжин хвиль шляхом індукованих переходів в квантовій системі.

Активне середовище – це речовини, в яких створена інверсна заселеність енергетичних рівнів атомів. В ролі активного середовища використовують кристали діелектриків, напівпровідники, рідкі розчини органічних фарбників, газові суміші. Інколи їх називають робочою речовиною лазера.

Інверсний стан речовини активного середовища створюють 2 шляхами. Перший з них – використовують речовини, атомам яких властиві метастабільні рівні (це сприяє накопиченню електронів на даному рівні). Другий – за допомогою зовнішніх чинників забезпечити максимальний перехід атомів на вищі енергетичні рівні.

Система накачки

Збудження активного середовища називають накачуванням (найчастіше оптичне накачування спеціальною газорозрядною лампою або за допомогою газового електричного розряду). Накачування забезпечує інверсну заселеність атомів і появу первинних фотонів. Унаслідок спонтанних переходів електронів на нижчі енергетичні рівні з'являються первинні фотони, під дією яких утворюють вторинні.

Оптичний резонатор – представляє собою пару дзеркал, паралельний одне одному, між якими розміщене активне середовище. Одне дзеркало глухе – відбиває падаюче на нього світло: друге – напівпрозоре – частину випромінювання повертає в середовище для здійснення вимушеного випромінювання, а частина виводиться назовні у вигляді лазерного променя. (Фотони рухаються уздовж його осі, багато разів перетинаючи активне середовище унаслідок багатократного відбивання від дзеркал. При цьому вони приводять до появи все більшого числа індукованих фотонів і утворенню інтенсивного, вузько направленого потоку фотонів (світлового променя), який при певній потужності пучка виходить з резонатора.)

Шляхом зміни довжини резонатора і коефіцієнта віддбивання дзеркал забезпечується отримання монохроматичного світлового випромінювання.

Типи лазерів:

1) за природою активного середовища:

- кристалічні

- рідинні

- напівпровідникові

- хімічні

- газові

2) за режимом роботи:

- імпульсні

- безперервної дії.

3) За методом отримання інверсії:

- з електронною накачкою

- з хімічною накачкою

- з оптичною накачкою

- з тепловою накачкою

Відрізняються також формою, зовнішнім виглядом, розмірами, системою накачування і т.д.

Прототип першого лазера був створений в 1954 році радянськими ученими Прохоровим, Басовим і американським ученим Таунсом. Активним середовищем був аміак. За це вони отримали в 1964 році Нобелівську премію. В 1960 року запрацював перший рубіновий оптичний квантовий генератор. В ролі активного середовища використовувався рубін – оксид алюмінію з невеликими домішками хрому, які є активними елементами. Накачування здійснювалося за допомогою світла потужної імпульсної лампи Ксенону. Такий лазер випромінює червоне світло з λ = 0,69 мкм в імпульсному режимі.

Газові лазери використовуються найчастіше. Активне середовище – газ або суміш газів. До цього типу також відносяться лазери на парах металів - Pb, Cu, Au, Cr, Mn. Накачування здійснюється за допомогою електричного розряду і хімічних реакцій. Типовим представником газових лазерів є – гелій-неоновий лазер (1960 р.). Основний структурний елемент такого лазера – газорозрядна трубка з кварцу, заповнена гелієм і неоном в співвідношенні 10:1 і що має 2 упаяних електроди, до яких приєднаний блок живлення. Резонатором є напівпрозоре плоске дзеркало і сферичне дзеркало. Накачування здійснюється електричним роз-рядом.

Вибір суміші гелію і неону зумовлений тим, що збуджені енергетичні рівні атомів гелію (E¹₂, E¹₃) близькі до основних, але вищих енергетичних рівнів неону (E₄, E₅) і наявністю у неону метастабільних рівнів. Співвідношення атомів гелію і неону підібране так, щоб забезпечити інверсну заселеність атомів неону (активної речовини), тобто гелій є допоміжною речовиною.

При включенні джерела живлення в лазері відбувається електричний розряд, і газова суміш іонізується. Електрони, які з'являються при цьому, прискорюються електричним полем. Коли на своєму шляху вони зустрічають нові молекули, то передають їм енергію в результаті електронного удару. В результаті цього електрони атомів гелію і неону переходять на вищі енергетичні рівні. Крім того, електрони атомів неону переходять на вищі енергетичні рівні під дією непружних зіткнень з атомами гелію. Оскільки атоми гелію позбавляються енергії, то переходять в основний стан без випромінювання енергії. Цей процес називають резонансною передачею енергії, і він можливий унаслідок збігу енергетичних рівнів підібраних атомів.

Також необхідно постійне розвантаження рівня, що досягається підбором діаметру газорозрядної трубки, при якому електрони, розташовані на цьому рівні, передавали б енергію стінкам, а самі безвипромінювано переходили на нижчі енергетичні рівні.

В атомі неону існує три робочі переходи: з рівня 5 на 3 (λ = 0,63 мкм, з 5 на нестійкий проміжний (між 5 і 4) рівень 6 (λ = 3,39 мкм) і з 4 на 3 (λ = 1,15 мкм). Шляхом підбору резонаторів підсилюють тільки червоний колір (λ = 0,63 мкм), а інфрачервоні промені розсіюють.

 

Основні властивості лазерного випромінювання:

· когерентність

· монохроматичність

· поляризованість (кут Брюснера)

· висока потужність (при безперервній генерації – від 10^-3 до 600кВт, при імпульсному режимі - від 10⁸ до 10¹²Вт)

· вузька спрямованість пучка.