Лазерная техника 101: структуры и принципы работы

Основная структура лазера показана на рисунке 1 и состоит из следующих компонентов:

1) Лазерная активная среда

Для получения лазерного излучения требуется подходящая активная среда, которая может быть газом, жидкостью, твердым телом или полупроводником. В этой среде может быть достигнута инверсия населенностей, чтобы создать необходимые условия для генерации лазерного излучения. Существование метастабильных энергетических уровней значительно облегчает инверсию населенностей.

Существует около тысячи типов активных сред, способных генерировать лазерные волны от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона, охватывая широкий спектр.

Активная среда, являющаяся сердцем лазера, состоит из частиц активатора (обычно металлов) и матрицы. Структура энергетических уровней частиц активатора определяет спектральные характеристики и время жизни флуоресценции лазера, а матрица в основном определяет физико-химические свойства активной среды.

Лазеры можно разделить на трехуровневые (например, рубиновые) и четырехуровневые (например, Nd:YAG-лазеры) в зависимости от структуры энергетических уровней частиц активатора. Обычно используются цилиндрические (наиболее распространенные), плоские, дисковые и трубчатые формы активной среды.

2) Внешний источник перекачки

Чтобы добиться инверсии населенности в активной среде, атомы должны быть возбуждены определенным образом, чтобы увеличить количество частиц на более высоких энергетических уровнях. Непрерывный лазерный выход требует постоянной "накачки" для поддержания более высокой популяции частиц на верхнем энергетическом уровне, чем на нижнем, поэтому внешний источник накачки также называют источником накачки.

Источник накачки обеспечивает энергию для реверсирования населенности между высоким и низким уровнями энергии, причем в настоящее время в основном используется оптическая накачка. Источник накачки должен отвечать двум основным условиям: иметь высокую световую отдачу, а его спектральные характеристики должны соответствовать спектру поглощения активной среды. К распространенным источникам накачки относятся газоразрядные лампы с инертным газом, солнечная энергия и диодные лазеры.

Наиболее часто в качестве источников накачки используются газоразрядные лампы на инертных газах. Накачка солнечной энергией часто используется для маломощных устройств, особенно для небольших лазеров в космических приложениях, которые могут использовать солнечную энергию в качестве постоянного источника питания. Диодная накачка представляет собой будущее направление развития твердотельных лазеров, сочетая в себе множество преимуществ и становясь одним из самых быстроразвивающихся лазеров.

Методы диодной накачки можно разделить на два типа: поперечная накачка (накачка с торца при коаксиальном падении) и продольная накачка (боковая накачка при вертикальном падении).

Твердотельные лазеры с диодной накачкой имеют множество преимуществ, включая длительный срок службы, хорошую стабильность частоты и минимальные тепловые оптические искажения. Наиболее заметным преимуществом является высокая эффективность накачки благодаря точному соответствию между длиной волны света накачки и спектром поглощения активной среды.

3) Фокусирующая полость

Фокусирующая полость выполняет две функции: эффективно соединяет источник накачки с активной средой и определяет распределение плотности света накачки на активной среде, тем самым влияя на равномерность, расходимость и оптические искажения выходного пучка.

Поскольку и активная среда, и источник накачки устанавливаются в фокусирующую полость, ее качество напрямую влияет на эффективность и производительность насоса. Фокусирующие полости в виде эллиптических цилиндров чаще всего используются в небольших твердотельных лазерах.

4) Оптический резонатор

Оптический резонатор - это, по сути, два высокоотражающих зеркала, расположенных лицом к лицу на концах лазера. Одно зеркало полностью отражает, а другое - частично, что позволяет большей части света отражаться обратно, а небольшой части - выходить наружу, создавая лазерное излучение. Свет, отраженный обратно в активную среду, продолжает вызывать новые стимулированные излучения, усиливая свет.

Свет колеблется в резонаторе туда-сюда, вызывая цепную реакцию и лавинообразное усиление, в результате чего интенсивное лазерное излучение выходит из частично отражающего конца зеркала.

Оптический резонатор не только обеспечивает оптическую обратную связь для поддержания непрерывных лазерных колебаний и вынужденного излучения, но и ограничивает направление и частоту колеблющегося светового пучка, чтобы обеспечить высокую монохроматичность и высокую направленность выходного лазера. Простейший и наиболее часто используемый оптический резонатор для твердотельных лазеров состоит из двух плоских (или сферических) зеркал, обращенных друг к другу.

(5) Системы охлаждения и фильтрации

Системы охлаждения и фильтрации являются незаменимыми вспомогательными устройствами для лазера. При работе лазеры выделяют значительное количество тепла, что требует принятия мер по охлаждению. Система охлаждения в первую очередь охлаждает лазерно-активную среду, источник накачки и фокусирующий резонатор, чтобы обеспечить нормальную работу лазера и защитить оборудование.

Методы охлаждения включают в себя жидкостное, газовое и кондуктивное, причем жидкостное охлаждение является наиболее распространенным. Кроме того, чтобы получить лазерный луч с высокой монохроматичностью, необходимо отфильтровать выходной сигнал. Система фильтрации может удалить большую часть света накачки и другого мешающего света, в результате чего на выходе получается лазерный луч с высоким монохроматическим качеством.

Чтобы объяснить принцип работы лазера, возьмем в качестве примера рубиновый лазер. Активной средой является рубиновый стержень. Рубин - это кристалл оксида алюминия, легированный небольшим количеством ионов трехвалентного хрома, обычно массовое соотношение оксида хрома составляет около 0,05%. Поскольку ионы хрома поглощают зеленый и синий свет из белого, драгоценный камень кажется розовым.

Рубин, использованный Мейманом в первом изобретенном лазере в 1960 году, представлял собой цилиндрический стержень диаметром 0,8 см и длиной около 8 см. Его концы представляют собой пару параллельных плоских зеркал, одно из которых покрыто полностью отражающей пленкой, а другое - с коэффициентом пропускания 10%, что позволяет пропускать лазер.

В рубиновом лазере ксеноновая лампа высокого давления используется в качестве "насоса" для возбуждения ионов хрома в возбужденное состояние E₃. Электроны, перекачиваемые в E₃ быстрый переход (примерно за 10^-8 секунд) до E₂ без облучения. E₂ это метастабильный энергетический уровень, на котором вероятность спонтанного излучения в E₁ очень низкая, а срок службы составляет до 10 лет.^-3 секунд, что позволяет частицам оставаться в течение длительного времени.

Следовательно, частицы накапливаются при E₂достигая инверсии населенности между энергетическими уровнями E₂ и E₁. Стимулированное излучение света из E₂ к Е₁ это красный лазер с длиной волны 694,3 нм. Импульсный лазер, полученный от импульсной ксеноновой лампы, длится менее 1 мс на один световой импульс, при этом энергия каждого импульса превышает 10 Дж, а мощность каждого импульсного лазера может превышать 10 кВт.

Процесс возбуждения ионов хрома и излучения лазерного света включает в себя три энергетических уровня, поэтому его называют трехуровневым. В трехуровневой системе, поскольку нижний энергетический уровень E₁ является основным состоянием и обычно накапливает большое количество атомов, поэтому для достижения инверсии населенности требуется значительное количество возбуждения.