Основные разновидности лазеров

Существует множество лазеров разного типа, различающихся активной средой и способом накачки. В качестве активной среды применяют твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки чаще всего используется оптическая накачка, а также накачка электрическим разрядом в самой активной среде. Накачка может быть непрерывной и импульсной. Рассмотрим основные типы лазеров.

Твердотельные лазеры

Твердотельными называют лазеры, в которых активной средой являются крис­таллические или аморфные диэлектрики (стекла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов. В первом твердотельном лазере (1960 г.) исполь­зовался кристалл рубина.

Рубин — это твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд — диэлектрический кристалл оксида алюминия (А1₂О₃). Рубином он становится тог­да, когда небольшую часть атомов алюминия в этом кристалле заменяют ионы хрома. С введением ионов хрома кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. Энергетическая диаграмма, характеризующая структуру разрешен­ных уровней хрома, показана на рис. 11.4. Она содержит основной энергетичес­кий уровень Е₁ два узких уровня Е_2а и Е_2б и две сравнительно широких полосы энергий Е₃ и Е₄ которые представляют собой совокупность большого числа близ­ко расположенных разрешенных уровней.

Если атом хрома возбудить, то он сначала перейдет из основного состояния в по­лосу Е₃ или Е₄, а спустя очень короткое время (10^-8 с) — на уровень Е_2а или Е_2б. При переходе на уровни Е₂ атом хрома не излучает. Его энергия тратится на воз­буждение колебаний кристаллической решетки рубина. Возможность возвраще­ния атома с полос Е₃ и Е₄ снова на уровень Е₁ хотя и существует, но скорость этого процесса пренебрежимо мала по сравнению со скоростью перехода на уровни Е₂ . На уровнях Е₂ атом находится около 10^-3 с. Такое длительное время (по сравне­нию с 10^-8 с) позволяет накапливать атомы хрома на уровнях Е₂ . Если достаточно быстро переводить атомы хрома с уровня Е₁ в полосы Е₃ и Е₄ то на уровнях Е₂ можно накопить более половины атомов хрома. В этом случае уровни Е₂ окажут­ся более заселенными, чем уровень Е₁ то есть возникнет инверсия населенностей.

Для перевода атомов хрома с уровня Е₁ на уровни Е₃ и Е₄ (накачка) используют мощные лампы-вспышки. Перевести атомы хрома непосредственно с уровня Е₁ на уровни Е₂ нельзя. Объясняется это тем, что свет вызывает в кристалле два процесса: поглощение света невозбужденными атомами и вынужденное испус­кание его возбужденными атомами. Если оба процесса происходят между двумя уровнями, то они протекают с одинаковой скоростью. Поэтому максимум того, что можно получить при накачке, — уровнять населенности. Для получения инверсии населенностей необходим третий уровень как своеобразный «перева­лочный пункт».

Лампа-вспышка испускает импульс света длительностью около 10^-3 с, близкий к белому, то есть с широким спектром частот. Для переброса ионов хрома на уров­ни Е₃ и Е₄ затрачивается только часть спектрального состава и, соответственно, энергии светового потока (около 15 %). Для перевода иона хрома с уровня Е₁ в полосу Е₃ используется излучение с длиной волны 0,56 мкм, а переброс в полосу Е₄ происходит при излучении с длиной волны около 0,41 мкм.

Наличие широких энергетических полос в спектре ионов хрома является благо­приятным обстоятельством для создания лазера. Чем шире эти полосы, тем боль­ше ионов может в них разместиться. Переход ионов хрома из широких полос на уровни Е₂ позволяет концентрировать атомы хрома в небольшом энергетическом интервале, что позволяет получить высокую монохроматичность излучения при переходе атомов хрома с уровней Е₂ на основной уровень Е₁. При переходе с уров­ня Е_2а на уровень Е₁ излучение происходит с длиной волны 0,6943 мкм, при переходе с уровня Е_2б — с длиной волны 0,6929 мкм. Наиболее благоприятны условия для генерации света с длиной волны 0,6943 мкм.

Устройство рубинового лазера иллюстрирует рис. 11.5. В стеклянной трубке рас­положен рубиновый стержень, на торцах которого имеются отражающие зерка­ла. Стержень возбуждается импульсной лампой и охлаждается проточной водой или жидким азотом.

Кроме рубина в твердотельных лазерах применяют стекла, актированные неоди­мом. Благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных лазер­ных стержней, а также возможности изготовления длинных стержней лазеры на стекле обладают преимуществом по сравнению с рубиновыми лазерами. Однако стекло имеет значительно меньшую, чем рубин, теплопроводность, что вызывает необходимость применения более эффективных систем охлаждения. Длина вол­ны излучения стеклянного лазера составляет 1,06 мкм.

В оптических системах связи находит применение лазер на иттрий-алюминиевом гранате (сокращенно YAG),легированный активными ионами неодима. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима (сокращенно YAG-Nd) является уни­кальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твер­достью и удовлетворительными оптическими свойствами. Такой лазер излучает колебания с длиной волны 1,064 мкм. Конструкция YAG-Nd-лазера очень ком­пактна. Лазер содержит стержень длиной 5 мм и толщиной 0,5 мм, который накачивается с торца GaAlAs-светодиодом. Более компактную конструкцию имеет YAG-лазер,легированный неодим-пентафосфатом NdP₃O₁₄. Накачка такого лазера осуществляется светодиодом с длиной волны 0,5 мкм. Этот лазер имеет очень низкий порог накачки (примерно 1 мВт), что позволяет назвать его микролазером.

Газовые лазеры

Газовыми лазерами называют оптические квантовые генераторы, в которых актив­ной средой является газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. В зависимости от того, состояние каких частиц используется для получения инвер­сии населенностей, различают атомные, ионные и молекулярные лазеры.

Газовые лазеры являются наиболее распространенным типом лазеров. Они из­лучают на волнах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (0,15-699,5 мкм) и обладают самой высокой степенью когерентности но сравнению со всеми остальными источниками света. Газовая среда имеет хорошую оптичес­кую однородность, поэтому позволяет получить наименьший угол расхождения пучка (около 1°).