6 Вынужденное и спонтанное излучение.
Рис. 1. a — спонтанное излучение фотона; б — вынужденное излучение; в — резонансное поглощение; Е1 и Е2 — уровни энергии атома.
Атом, находясь в возбужденном состоянии а, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией h=E2–Е1). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.
В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hv=E2–E1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv=E2–E1 (рис. 309, в). При подобном переходе происходит излучение атомом фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь точной их копией.
7 Принцип действия лазера
Ла́зер устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества.
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направление распространения, поляризацию и фазу Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости ] . Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера
Что такое лазер?
Лазер — это устройство, которое управляет преобразованием энергии накачки (световой, электрической, тепловой, химической) в энергию излучения. «Лазер» — это аббревиатура, означающая усиление света путем стимулированного излучения.
В лазере излучающая среда » накачивается «, чтобы привести атомы в возбужденное состояние. Очень интенсивные вспышки света или электрические разряды накачивают излучающую среду и создают большое количество атомов в возбужденном состоянии (атомы с электронами более высокой энергии). Атомы возбуждаются до уровня, который на два или три уровня выше основного состояния. Это увеличивает степень инверсии населенности. Инверсия населенности — это отношение числа атомов в возбужденном состоянии к числу атомов в основном состоянии.
Рис. 1. Накачка лазера
После накачки люминесцентной среды появляется набор атомов с электронами, находящимися на возбужденных уровнях. Возбужденные электроны обладают большей энергией, чем спокойные электроны. Так же как электрон поглощает некоторое количество энергии, чтобы достичь этого возбужденного уровня, он также высвобождает эту энергию. Электрон может просто расслабиться и избавиться от некоторого количества энергии. Эта излучаемая энергия приходит в виде фотонов (световая энергия). Испускаемый фотон имеет очень специфическую длину волны (цвет), которая зависит от состояния энергии электрона в момент испускания фотона. Два одинаковых атома с электронами в одинаковых состояниях будут испускать фотоны с одинаковой длиной волны.
Лазерный свет сильно отличается от обычного и обладает следующими свойствами:
Испускаемый свет является монохроматическим . Он содержит одну конкретную длину волны света (один конкретный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе электрона на более низкую орбиту.
Испускаемый свет когерентен . Он «организован» — каждый фотон движется одновременно с другими. Это означает, что все фотоны имеют волновые фронты, которые запускаются вместе.
Лазерный свет имеет очень узкий и концентрированный луч. Для того чтобы эти три свойства проявились, требуется так называемое стимулированное излучение. Этого не происходит в обычном фонаре, в нем все атомы выпускают свои фотоны случайным образом. В стимулированном излучении испускание фотонов организовано.
Рис. 2. Фокусировка лазерного луча в одной точке
Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состояниями. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого электрон находится в таком же возбужденном состоянии, может произойти стимулированное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызвать эмиссию атома таким образом, что последующий испущенный фотон (от второго атома) будет колебаться с той же частотой и в том же направлении, что и входящий фотон.
Рис. 3. Изображение фазовых лазерных световых волн
Компоненты лазера
Каждое лазерное устройство состоит из трех основных компонентов. К ним относятся:
- Лазерный материал или активная среда;
- Внешний источник энергии;
- Оптический резонатор;
Активная среда возбуждается внешним источником энергии (источником накачки) для создания инверсии населенности. В среде усиления происходит спонтанное и стимулированное излучение фотонов, что приводит к появлению оптического усиления, или амплификации. Полупроводники, органические красители, газы (He, Ne, CO2 и т.д.), твердые материалы (YAG, рубин) обычно используются в качестве материалов усиления.
Рис. 4. Компоненты лазера
Источник накачки обеспечивает энергию, необходимую для инверсии населенности и стимулированного излучения в системе. Накачка может осуществляться двумя способами — методом электрического разряда и оптическим методом. Примерами источников накачки являются электрические разряды, лампы-вспышки, дуговые лампы, свет от другого лазера, химические реакции и т.д.
Оптический резонатор обеспечивает наведение имитируемого процесса излучения. Он индуцируется высокоскоростными фотонами и генерирует лазерный луч. Фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. В большинстве систем он состоит из двух зеркал. Одно зеркало является полностью отражающим, а другое — частично отражающим. Оба зеркала установлены на оптической оси, параллельно друг другу. Активная среда используется в оптической полости между обоими зеркалами. Такое расположение фильтрует только те фотоны, которые пришли вдоль оси, а остальные отражаются зеркалами обратно в среду, где они могут быть усилены стимулированным излучением.
Типы лазеров
Существует множество различных типов лазеров. Лазерная среда может быть твердой, газовой, жидкой или полупроводниковой. Лазеры обычно обозначаются по типу используемого излучающего материала.
Твердотельный лазер
В твердотельных лазерах излучающий материал распределен в твердой матрице (например, лазеры на рубине или неодим:иттрий-алюминиевом гранате «Yag»). Неодимовый Yag-лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1064 нанометра (нм). Нанометр — это 1х10-9 метра.
Рис. 5. Волна со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени
Газовые лазеры
Эксимерные лазеры
Эксимерные лазеры (название происходит от терминов «возбужденный» и «димер») используют реактивные газы, такие как хлор и фтор, смешанные с инертными газами, такими как аргон, криптон или ксенон. При электрической стимуляции образуется псевдомолекула (димер). При освещении димер излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне.
Рис. 6. Эксимерный лазер
Лазеры на красителях
Лазеры на красителях используют сложные органические красители, такие как родамин 6G, в жидком растворе или суспензии в качестве излучающей среды. Они перестраиваются в широком диапазоне длин волн.
Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры не являются твердотельными лазерами. Данные устройства обычно небольшого размера и потребляют мало энергии. Они могут быть встроены в большие массивы, такие как источник записи в некоторых лазерных принтерах или проигрывателях компакт-дисков.
Волоконный лазер
Волоконный лазер — это тип твердотельного лазера в котором усиливающей средой является оптическое волокно. Это активный модуль (как активный электронный компонент в электронике), который необходимо питать и который использует свойства оптического усиления редкоземельных ионов. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.
Что такое длина волны лазера?
Длина волны лазера — это расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Волна – смена состояния среды или поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Конкретная длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе возбужденного электрона на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут быть подобраны в зависимости от материала среды усиления для получения желаемого цвета луча.
Рубиновый лазер является твердотельным лазером и излучает на длине волны 694 нм. Некоторые лазеры очень мощные, например, CO2 лазер , который может разрезать сталь. Причина, по которой CO2-лазер так опасен, заключается в том, что он излучает лазерное излучение в инфракрасной и микроволновой области спектра. Инфракрасное излучение — это тепло при котором лазер расплавляет практически все, на что он направлен.
В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от сферы использования применяются разные виды.
Диодные лазеры, очень слабые и используются в современных карманных лазерных указках. Эти лазеры генерируют красный луч света с длиной волны от 630 нм до 680 нм.
Различные типы лазеров и длины волн их излучения (в нанометрах):
- Фторид аргона (УФ): 193;
- Фторид криптона (УФ): 248;
- Хлорид ксенона (УФ): 308;
- Азот (УФ): 337;
- Аргон (синий): 488;
- Аргон (зеленый): 514;
- Гелий неоновый (зеленый): 543;
- Гелий неоновый (красный): 633;
- Краситель родамин 6G (перестраиваемый): 570-650;
- Рубин (CrAIO3) (красный): 694;
- Nd:Yag (NIR): 1064;
- Диоксид углерода (инфракрасный): 10600.
Классификации опасности лазеров
Лазеры классифицируются по четырем широким областям в зависимости от возможности нанесения биологического ущерба. Лазер должен быть промаркирован одним из этих четырех классов:
Класс I — эти лазеры не могут испускать лазерное излучение с известными уровнями опасности.
Класс I.A. — это специальное обозначение, которое применяется только к лазерам, «не предназначенным для просмотра», таким как лазерный сканер в супермаркете. Верхний предел мощности для класса I.A. составляет 4,0 мВт.
Рис. 7. Устройство лазера
Класс II — это маломощные видимые лазеры, которые излучают выше уровня класса I, но мощность излучения не превышает 1 мВт. Концепция заключается в том, что реакция отвращения человека к яркому свету защитит его.
Класс IIIA — это лазеры средней мощности (cw: 1-5 мВт), которые опасны только для внутрилучевого наблюдения. К этому классу относится большинство пероподобных лазеров для наведения.
Класс IIIB — Это лазеры умеренной мощности.
Класс IV — Это мощные лазеры (cw: 500 мВт, импульсные: 10 Дж/см2 или предел диффузного отражения), которые опасны для наблюдения при любых условиях (прямое или диффузное рассеяние), а также представляют потенциальную опасность пожара и опасность для кожи. Для лазерных установок класса IV требуются значительные меры контроля.
Для получения дополнительной информации о лазерах и связанных с ними темах перейдите по следующим ссылкам.
Применение лазеров
Лазеры бывают разных размеров, форм, цветов и уровней мощности и используются для разных целей — от хирургических вмешательств в больницах до сканеров штрих-кодов в продуктовом магазине и даже для воспроизведения музыки, фильмов и видеоигр дома.
Рис. 8. Лазерная спектроскопия
Существует множество областей применения лазерной технологии, включая следующее:
Спонтанное и вынужденное излучение
В квантовой теории строения вещества установлено, что электроны атома взаимодействуют с ядром и остальными электронами, вследствие чего электроны и атом в целом обладают определённой энергией взаимодействия. Эта энергия может иметь дискретные значения или уровни — W1, W2, W3 и так далее. Согласно принципу Паули, на одном уровне энергии находится лишь один электрон. Иногда группу близких по энергиям уровней условно объединяют в один. В этом случае говорят о числе электронов на данном уровне, о степени заселённости уровней электронами.
Пусть у атома вещества имеются два уровня энергии электронов W1 и W2, причём W1 – самый нижний из возможных уровней, а W2 > W1 (рис. 1). Вначале электрон находится на уровне W1, а уровень W2 свободен.
W
W2 Это состояние устойчивого равновесия — электрон занимает наименьший из возможных уровней энергии. Внешнее возбуждение (например, удар постороннего электрона или атома) может вызвать переход электрона на уровень W2 (переход 1 – 2, показан пунктиром). Состояние 2 неустойчиво. Теория позволяет для каждого уровня рассчитать так называемое «время жизни» (τ) электронов на нём. Это усреднённое время, в течение которого электрон без внешнего воздействия может находиться на данном уровне. При переходе электрона с уровня W2 на W1 (переход 2—1) происходит передача энергии окружающим частицам (тепловой переход) или излучение фотона с энергией: где h = 6, 62 ∙ 10 – 34 Дж ⁄ с. — постоянная Планка, ν — частота световой электромагнитной волны, соответствующей фотону данной энергии. Длина волны равна: где с = 3 · 10 –8 м / с – скорость света в вакууме. Из квантовой механики известно, что в стационарном состоянии атом может находиться сколь угодно долго, если нет внешнего воздействия (1 постулат Бора). Однако, как показывает опыт, если атом находится в возбужденном состоянии, то он самопроизвольно переходит в нормальное невозбужденное состояние, излучая при этом энергию. Такое излучение называется спонтанным (самопроизвольным). Это излучение не зависит от внешнего воздействия и определяется только свойствами самой атомной системы. В 1916 году Эйнштейн на основе законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии квантовых систем с электромагнитным полем создал теорию излучения атомов. Излучение света при переходе 2 — 1 (рис. 1) может происходить двумя качественно различными способами. Первый – спонтанное излучение (рис. 1а). В этом случае по истечении времени жизни τ электрон самопроизвольно переходит с излучением на уровень W1. Атом излучает свет независимо друг от друга, начальные фазы, поляризация отдельных актов излучения меняются хаотически, направление излучения произвольно, частота также колеблется в некоторых пределах. Примером могут служить такие источники некогерентного излучения, как лампа накаливания, лампа дневного света, экран телевизора, монитора с кинескопом. При спонтанном излучении число атомов dN перешедших за время dt с уровня η на уровень т, равно: где Аn,m − вероятность спонтанного перехода атома с уровня n на уровень m за 1 с; Nn − число атомов находящихся на уровне n. После интегрирования имеем:
где N0 − число атомов на уровне n при t = 0. Из постулата Бора известно, что Энергия излучения за время dt будет: а интенсивность излучения соответственно
Величина ħωn,m∙An,m∙N0 = где Мы приходим к следующему выражению:
Величина обратная вероятности, спонтанного перехода за 1 с с уровня n на уровень m называется средней продолжительностью жизни (нахождения) атома в возбужденном состоянии. Другой способ излучения света, при переходе 2 — 1 – индуцированное излучение (рис 1б.). Он осуществляется, если до акта самопроизвольного излучения (при t < τ) к атому подлетит фотон, частота которого удовлетворяет условию 1. Как показал А. Эйнштейн в 1916 г. внешний фотон вынуждает (индуцирует) переход 2 — 1 электрона раньше, чем наступит самопроизвольное (спонтанное) излучение. Пролетающий фотон как бы «стряхивает» с возбуждённого атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергии, т.е. число фотонов увеличивается, и происходит усиление света за счёт энергии, запасённой в атоме. Особенность индуцированного излучения состоит в том, что новый фотон имеет ту же частоту, направление движения, поляризацию что и фотон, стимулирующий это появление. Фаза колебаний волны, соответствующей новому фотону, с точностью до 2π «пи» совпадает с фазой стимулирующего излучения. Вновь образованная пара фотонов, может вызвать аналогичное излучение других возбуждённых атомов в данном объёме вещества, т.е. создаётся возможность лавинообразного размножения совершенно аналогичных фотонов. Все атомы вещества излучают в этом случае согласованно, «по общей команде», которая передаётся от атома к атому со строго определённой скоростью (скоростью света). Поэтому индуцированное излучение когерентно. Вынужденные (индуцированные) переходы обусловлены действием на атом падающего на него излучения. Вынужденные переходы имеют место как с более высокого энергетического уровня на низкий, так и с низкого на более высокий. В случае перехода атома на более высокий уровень атом поглощает падающую на него энергию (излучение). Поглощение излучения подчиняется закону Ламберта — Бугера:
где α − положительный коэффициент поглощения, При переходе атома с более высокого энергетического уровня на более низкий под действием фотона (ħωn,m) вызывает появление индуцированного излучения, т. е. нового фотона. Новый фотон имеет ту же энергию и летит в то же направление, что и фотон, вызывающий появление первого. Эффект вынужденного излучения ведет к увеличению амплитуды проходящей волны без изменения ее частоты, фазы, поляризации и направления, т. е вынужденное излучение монохроматическое, когерентное и поляризованное. Качественно процесс поглощения и вынужденного излучения можно представить так:
В результате поглощения (рис. 2) фотона атомом, находящимся на уровне W1, фотон исчезает, а атом переходит на уровень W2. Этот процесс уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. В результате вынужденного излучения (рис. 3) фотон с энергией ħω переводит атом с уровня W2 на уровень W1, и вместо одного фотона образуется два. Если преобладают акты вынужденного излучения, то среда будет усиливать свет. Впервые идея усиления света за счет вынужденного излучения была предложена советским физиком В. А. Фабрикантом (1940г.). Сущность его заключалась в создании среды с отрицательным коэффициентом поглощения (см. закон Ламбера -Бугера). Найдем условия существования среды с отрицательным коэффициентом поглощения. Изменение интенсивности излучения при прохождении слоя среды (вещества) Δx будет: По уравнению Эйнштейна изменение интенсивности излучения за счет поглощения и индуцированного излучения можно по аналогии записать: где ρ(ω) − объемная плотность энергии частоты ω; Α1,2 и Α2,1 − вероятность актов поглощения индуцированного излучения за 1 с. Убыль интенсивности излучения за счет поглощения и индуцированного излучения из (12) и (13) будет: Сравнивая выражения (11) и (14) можно записать: Учитывая равенство коэффициентов А1,2 и Α2,1 (условия равновесия) имеем: Умножим и разделим правую часть равенства на Ν/Ν, получим: αJ = (1 − Тогда из (5) можно записать:
Из выражения (19) следует, что при Ν2 >Ν1 коэффициент поглощения будет отрицательным, и среда будет усиливать свет. Таким образом, для получения усиливающей свет среды необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов на возбужденном уровне должно быть больше числа атомов на нормальном (невозбужденном) уровне. Такое состояние принято называть инверсным. Согласно квантовой теории излучения, индуцированное излучение преобладает над спонтанным лишь в случае, если создана инверсия (обратная) заселенность уровней энергии электронами. Таким образом, инверсным называется такое состояние активной среды, при котором верхние энергетические уровни атомов более заселены (заполнены) электронами, нежели нижние. Инверсное состояние можно осуществить двумя способами: 1. Уменьшить количество атомов N1 в состоянии ω1 за счет неоднородного электрического поля (Н.Г.Басов,A.M. Прохоров, СССР, Ч. Таунсен, США, Лазеры, 1954г. Лауреаты Нобелевской премии) 2. Увеличить количество атомов N2 в состоянии ω2 за счет внешнего источника энергии.(Мейман, США, Лазер, 1960г.) Лазер Источником индуцированного излучения является оптический квантовый генератор — лазер. Генераторы и усилители света в видимой и ближней инфракрасной областях появились в 1960 г. и называются оптическими квантовыми генераторами (ОКГ). Термин «лазер» составлен из первых букв английского названия этого устройства: light amplication by stimulated emission of radiation – усиление волн оптического диапазона с помощью стимулированного излучения. Лазер ― особый источник света, дающий излучение, характеризующееся высокой степенью когерентности и острой направленностью. Условия многократного усиления выполняются лишь для фотонов, летящих вдоль оси трубки лазера. Поэтому во всех остальных направлениях лазерное излучение отсутствует. Однако волновые свойства света, не позволяют получить угол расходимости, равный нулю. Явление дифракции света, проходящего через отверстие диаметром D, вызывает расхождение пучка на угол, меньший чем θмин = Острая направленность излучения позволяет путем фокусирования сконцентрировать мощную световую энергию на малой площадке (порядка 10 –5 мм 2 ). В фокусе лазерного луча создается очень высокая температура и испаряется любое вещество. Это свойство лазера применяется в технике для прожигания узких отверстий (фильеры для протягивания тонких проволок). Другое важное техническое применение – точечная сварка. Лазерный луч плавит и сваривает любые тугоплавкие металлы и сплавы. Современные лазеры способны резать листы металла толщиной в несколько сантиметров со скоростью около 1 м/ мин. Это используется для фигурного резания материалов и тканей. Изучение лазера используется для измерения больших расстояний с высокой степенью точности. С помощью лазерного локатора расстояние до Луны измерено с точностью до 4 метров. Одно из новейших и перспективных применений лазер находит в системах оптической связи. По одному лазерному лучу можно в принципе одновременно передавать до 10 9 телефонных разговоров и 10 5 телефонограмм. Широко применяются лазеры в медицине, особенно в глазной хирургии и стоматологии. Лазерное излучение находит применение в сельском хозяйстве для стимуляции роста сельскохозяйственных культур. Сформулируем все вышеперечисленное в виде коротких тезисов. Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основныеЛа́зер ( Laser , Light Amplification by stimulated Emission of Radiation ) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения. Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно. Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (Рис.8). В полупроводнике плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны: зона проводимости с энергией Е с и зона валентных электронов с энергией Е v , между ними находится так называемая запретна зона с энергией Е q . Рисунок 1.8. Двухуровневая модель процессов в лазере Зона Е v соответствует базовому(минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии все электроны находятся именно в этой зоне. Если к электронам добавить энергию извне, приложить напряжение смещения к p-n переходу в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. При значительном U см элементы с низкого энергетического уровня переходят на более высокий, т.е. часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходят в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри проводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки и другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает(поглощается). Если «падение» на нижний энергетический уровень (Е v ) происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Такой процесс называется спонтанным. Частота определяется разностью энергетических уровней E q , т.е. шириной запрещенной энергетической зоны: Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка». Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного уровня на другой. Но так как время перехода для всех электронов разное, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а следовательно будут неоднородны по частоте. Этот свет и есть некогерентный (СИД). Т.е. в СИД используется механизм спонтанного излучения. Для создания условия стимулированного излучения необходимо получить сильное электромагнитное поле (высокой концентрации фотонов) в веществе. В основе работы когерентного источника, ЛД лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором. Широко используется резонатор Фабри-Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси Z . Эти зеркала выполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси Z , за счет чего уменьшается число поперечных мод. Такой источник света излучает синфазные оптические волны, т.е. является когерентным. В таких структурах, с ПОС происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс, так называемое индуцированное(вынужденное) излучение. Это излучение при каждом переходе между зеркалами усиливается средой полупроводника, т.к. вызывает все новые и новые вынужденные излучательные комбинации носителей. Если общие потери меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект (стимулированное излучение). Стоит убрать зеркало, обеспечивающее ПОС, генерация прекращается, хотя спонтанное излучение остается. Для возникновения колебаний в лазере необходимо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения. Генерация возможна одновременно на одной или нескольких продольных модах, т.е. излучение лазера происходит в каком-то спектре Δ f , который гораздо уже, чем у некогерентных источников. Исходя из всего сказанного, можно представить схематично конструкцию лазера (Рис 1.9) Рисунок 1.9.Общая конструкция лазера Что такое резонатор ? В широком смысле резонатором называют колебательную систему , в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора . Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо) приведен на рисунке 1.10. Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды). Рисунок 1.10. Резонатор Фабри – Перо Важной характеристикой резонатора, как и любой колебательной системы, является его добротность, Q . Чем выше Q , тем меньше образуется мод. Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками. Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров. Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на: простейшие (гомолазеры); двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод; с распределенной обратной связью (РОС); с распределенными брэгговскими отражателями (РБО); связанно – сколото — составные (С 3 ); с внешней синхронизацией мод и т.д. Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного полупроводника GaAs, представляющего собой параллелепипед с p-n-переходом, который перпендикулярен двум противоположным торцам кристалла. Рисунок 1. 11. Простейший лазерный диод с p-n переходом 1- электрический контакт; 2-плоскопараллельные грани; Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо. Отражение происходит за счет разницы показателей преломления полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней загрубляют, добиваясь их шероховатости, чтобы не было генерации в нежелательных направлениях. При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции Iн(накачки) возрастает, достигая порогового значения Iп, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект. Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность Iн должна быть 30 . . . 100 А/см 2 . Такая большая плотность тока приводит к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При помещении кристалла в жидкий азот достигается длительная работа лазера. Использовать гомолазер в ВОСП практически невозможно. ЛД для ВОСП должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения. Уменьшение плотности тока Iни улучшение других характеристик достигается за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину Iн до 1 — 2 А/см 2 . Название «двойная гетероструктура» означает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала. Если увеличить Iн в ЛД с ДГС с широким контактом по все поверхности, то генерация сначала возникает в малой области 3-5 мкн. По мере увеличения I загорается всё больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, увеличиваются расходимости и нестабильности излучения. На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Также ЛД называются лазерами с полосковой геометрией. Рисунок 1.12. Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R≈0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность происходит полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией (Рис.1.13). Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд. Рисунок 1.13. Ватт-амперная характеристика лазерного диода Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (Рис.14). К основным характеристикам ЛД, определяющим возможность их использования в системах связи и передачи информации относятся: — мощность излучения и ее зависимость от тока модуляции; Ватт-амперная характеристика ЛД . Это зависимость мощности излучения от тока накачки. При малых Iн наблюдается спонтанное излучение. Когда Iн увеличивается потери в структуре становятся соизмеримыми с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное (стимулированное) излучение. ВАХ – нелинейная. По этой причине модуляция выходного излучения аналоговым сигналом без специальных мер линеаризации ВАХЛД невозможна (сложно и дорого). Обычно применяют импульсные методы модуляции, тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера. При изменение температуры окружающей среды происходит сдвиг ВАХ. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используют электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника. Для ВОСП используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100 мкм, то излучение может достигнуть 100мВт. В ВОСП этого не требуется. Диаграмма направленности оптического излучения лазера несимметрична, её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости, параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости. Рисунок 1.14 Диаграмма направленности оптического излучения лазерного диода: а — ширина излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях; б – зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. На рисунке 1.14 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует ее эффективному вводу в ОВ с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств. Спектр излучения. В спектральной области, где можно определить коэффициент усиления резонатора существуют только такие продольные моды, для которых длина пробега света в резонаторе туда и обратно равна целому числу длин волн. Интервал между соседними модами определяется выражением: где n -коэффициент преломления; L –длина резонатора; λ- номинальная длина волны; Так при λ=0,9 мкм, n=3,6 и L=300 мкм интервал между соседними модами составляет ∆λ=0,4нм.При этом ширина линии излучения одной моды не превышает 0,01нм. Рисунок 1.15.Спектральная характеристика излучения лазера Для снижения числа генерируемых мод используются дифракционные решетки. Излучатель, содержащий такую решетку, получил название лазера с распределенной обратной связью (РОС). Если дифракционную решетку расположить вне области накачки создается лазер с распределенным бреговским отражателем (РБО). В лазерах РБО генерируется только одна продольная мода, что делает их удобными при работе по одномодовому оптическому волокну в системах передачи со спектральным разделением каналов. Но они дороже, т.к. требуют высокой точности обработки. Рисунок 1.16. Спектр ЛД с распределенным бреговским отражением Срок службы и надежность. Проблема долговечности и надежности ЛД остается сложной и не до конца решенной. Для ВОСП требуются лазеры со сроком службы > 10 5 и высоким КПД. На рисунке 1.17 показано изменение ВАХ ЛД при разных сроках непрерывной работы (0; 4000; 6000; 8000; 10000 часов) с излучаемой мощностью 5 мВт. |
(8)
−интенсивности света, прошедшего слой вещества толщиной x.
(11)
) ∙N1∙A∙ ħ ω ∙ ρ(ω) (17)
, где λ — длина волны, D – диаметр трубки или зеркала.Лазерный луч полностью поляризован и монохроматичен. Все атомы имеют одинаковую структуру энергетических уровней, поэтому излучение практически происходит на одной длине волны. Ширина спектральной линии излучения составляет всего 10 –4 нм. Эти свойства лазерного излучения используются на практике.