Что такое мода лазерного излучения

Формирование мод в лазерном резонаторе

Как известно, характеристики пучка лазерного излучения в основном определяются формой резонатора, в котором лазерное излучение усиливается до необходимой мощности. Профиль пучка определяется формой отражающих поверхностей (на рис. 1 представлены самые распространенные), расположенных в резонаторе зеркал из диэлектрического или монокристаллического вещества.

Работа лазерного резонатора построена на явлении полного внутреннего отражения (ПВО), когда преломленный пучок при падении на отражающую поверхность среды отсутствует.

Рисунок 1. Четыре распространенных типа оптических резонаторов, применяемых в лазерах: n – целое число, λ – длина волны генерации, R – радиус кривизны сферического зеркала, f – фокусное расстояние сферического зеркала

Когда резонатор не стабилизирован, лучи при множественном отражении отклоняются на некоторый угол, пока не достигают выхода из резонатора. Если лазерный резонатор не стабилизирован, диаметр пучка излучаемого света будет расти по мере усиления.

Нестабилизированные резонаторы применяют в лазерах, где излучение характеризуется достаточно высокой мощностью. Утечка мощности нужна, чтобы предохранить зеркала от повреждений.

Стабилизированные резонаторы часто используются в лазерах, мощность излучения которых не превышает 2 кВт. За счет стабилизации повышается эффективность накачки и снижается погрешность направленности излучения.

Рисунок 2. Ход излучения в стабилизированном (слева) и нестабилизированном резонаторе (справа): в стабилизированном отсутствуют утечки излучения, в нестабилизированном излучение по мере усиления покидает полость

Длина пути излучения в резонаторе определяет «продольные моды» резонатора или пространственное распределение электрического поля, которое вызывает стоячую волну. Моды (типы колебаний) придают пучку форму.

Колебания сохраняют профиль амплитуды и воспроизводят сами себя после завершения одного пути замкнутого контура внутри резонатора (за исключением возможной утечки некоторого количества мощности из-за потерь в резонаторе).

Для возникновения резонансной моды необходим фазовый сдвиг, равный целому числу оборотов (циклов) замкнутого контура (рис. 3).

Рисунок 3. Фазовый сдвиг излучения после прохождения полного цикла в оптическом резонаторе (пропорционален числу оборотов)

Простейший тип поперечных колебаний лазерного резонатора – гауссова мода (TEM _nm) – описывается с помощью аппроксимации электрической компоненты поля произведением функции Гаусса на полином Эрмита:

где E₀ – амплитуда электрической компоненты излучения, о си x, y составляют плоскость среза пучка, о сь z – направление распространения излучения, w₀ – радиус перетяжки пучка, w(z) – радиус пучка в данной точке распространения, H_n (x) и H_m (x) – полиномы Эрмита с неотрицательными целочисленными индексами n и m, k – волновое число (k = 2π/λ), z_R – рэлеевский диапазон, R(z) – радиус кривизны волнового фронта.

Целые числа – индексы полиномов Эрмита – n и m определяют профиль пучка в направлениях осей x и y соответственно. Идеальная Гауссова мода обозначается как TEM₀₀, в этом случае оба индекса полинома Эрмита равны нулю (см. рис. 4). Остальные значения индексов полинома Эрмита соответствуют более сложным типам колебаний. На рисунке 5 показан поперечный срез пучка излучения, соответствующего Гауссовым колебаниям нижнего порядка, а также некоторые поперечные моды высших порядков.

Рисунок 4. Поперечная мода TEM₀₀ (Гауссова мода) и соответствующий ей Гауссов пучок

Рисунок 5. Поперечные срезы пучка, соответствующего резонаторной моде Эрмита-Гаусса нижнего порядка

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

Источник

Мода лазерной трубки СО2

Мода лазерного резонатора – это стоячая электромагнитная волна.

Все стеклянные лазерные трубки CO2 являются многомодовыми, от качества внутренней юстировки оптического тракта трубки, производимой на заводе-изготовителе, в целом зависит качество выдаваемого трубкой луча, наилучшим результатом указанной юстировки является пятно формы ТЕМ00, данная форма луча позволяет генерировать сфокусированный лазерный луч заявленной мощности и плотности в пятно малых размеров, которое позволит как качественно резать материалы, так и гравировать с ожидаемым результатом.

Помимо сфокусированной центральной моды, выходящей из трубки, существуют и другие моды, которые не попадают по направлению в центральную моду и соответственно остаются внутри контура трубки, в связи с этим и считается, что все стеклянные трубки многомодовы.

Остальные формы моды не позволяют трубке работать на заявленной производителем мощности и выполнять поставленные задачи резки и гравировки материалов. Чаще измененная форма моды, отличающаяся от ТЕМ00 не позволяет прорезать материалы на ту глубину, резку которой обеспечит трубка с соответствующей центральной модой. При гравировке пропадает точность за счет отсутствия сфокусированного тонкого луча на выходе из сопла, при этом гравировка может двоиться, а также расплываться.

Моды бывают различной формы (TEM):

Моду лазера можно различить по тому, под какими углами выходят лучи через полупрозрачное зеркало из лазерной трубки. Чаще всего встречающиеся виды многомодовости:

Источник

7.5.6. Моды (типы колебаний) оптического резонатора

Мы убеди­лись, что резонатор лазера существенно влияет на выходную мощ­ность излучения, а также на его спектральные характеристики. В действительности влияние резонатора на свойства лазерного из­лучения является еще более значительным и принципиальным. Резонатор формирует определенные состояния поля излучения; их называют модами (типами колебаний) резонатора.

Отдельная мода обозначается так:

где m, n – попе­речные индексы моды, a q – продольный индекс; это то самое число q, которое фигурирует в соотношениях (7.31) и (7.32).

Каж­дая мода характеризуется определенной пространственной струк­турой поля – определенным распределением амплитуды и фазы поля в перпендикулярной к оси резонатора плоскости, в частно­сти, на поверхности зеркал резонатора. Специфику этой структуры фиксируют поперечные индексы моды m и n.

Совокупность продольных мод с данным сочетанием индексов m и n объединяют под названием поперечной моды. Поперечная мода обозначается как

Каждый тип поперечной моды име­ет определенную структуру светового пятна на зеркале резонато­ра. На рис. 7.15 показана структура наблюдаемого на круглом зеркале светового пятна для нескольких наиболее простых (низ­ших) поперечных мод. Видно, что чем меньше значения попереч­ных индексов, тем сильнее сконцентрировано поле моды вблизи центра зеркала.

Поперечную моду ТЕМ₀₀ называют основной модой. Для, нее характерна наиболее простая структура светового пятна.

Наблюдаемая в реальных условиях структура светового пятна часто представляет собой суперпозицию нескольких поперечных мод (многомодовый режим генерации). Спектр генерируемого из­лучения содержит обычно несколько спектральных линий (многочастотный режим генерации).

Источник

4.3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ (ЛД)

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.
Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.

4.З.1 Инверсия населённостей

называемое условием инверсии (обращения) населённостей рабочих уровней.
Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.
Инверсию населённостей, в данном случае, производят током накачки I_Н.

4.3.2 Принцип действия ЛД

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.
Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населённостей ещё не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.
Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического генератора.
Положительная обратная связь. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Упрощённая физическая модель лазера

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.
Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.
Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки I_Н создаёт инверсную населённость уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населённость электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки I_Н некоторого порогового значения I_П (I_Н > I_П).
Источник тока накачки I_Н создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.
Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн λ_k:

где L – длина пути, по которому распространяется излучение;
k – целое число.
Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько «почти» монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k. Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.
Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл–воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).
Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

4.3.3 Устройство ЛД

Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-n-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся, хотя и незначительно, строением кристал-лической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счёт применения ДГС появляется возможность:

На рисунке 4.11 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P. Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль узкозонного слоя d.

Рисунок 4.11 – Структура поперечного сечения полоскового лазера типа N-p-P

Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.
Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:

4.3.4 Характеристики ЛД

К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД

При малых токах накачки (I_Н I_П) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.
Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.
Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 10­20мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.
Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рисунке 4.13,а.

а–диаграмма направленности; б–конус излучения; в–зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Рисунок 4.13 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения ЛД

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4.13,б). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20 o в плоскости, параллельной переходу, и более 40 o в перпендикулярной плоскости. На рисунке 4.13,в показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения ЛД считается длина волны λ₀, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рисунке 4.14 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД.

Рисунок 4.14 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД

Источник

Устройство и работа лазера

Конспект лекции с демонстрациями

Наши задачи: изучить принципы работы лазера.

Когда-то мир жил без лазеров. Это сейчас достижения квантовой физики, лазерной электроники, компьютерные технологии являются неотъемлемыми составляющими нашей жизни, применяются даже в быту. А у истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и американец Чарлз Хард Таунс.
В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера».

The prize was divided, one half being awarded to: C HARLES T OWNES the other half jointly to: N ICOLAY B ASOV and A LEKSANDR P ROKHOROV for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle..

Попробуем разобраться в принципах работы лазера. Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: возбужденные атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с параметрами внешней волны, действующей на атом. Происходит как бы копирование внешней волны (рис.2в). Понятие об индуцированном излучении было введено в физику А.Эйнштейном в 1916 г. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем генерировать и усиливать когерентный свет.

Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить трем условиям.

Резонансное поглощение препятствует возникновению генерации света.

Будет ли система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N_m было больше числа атомов на нижнем уровне N_n, между которыми происходит переход.

Конечно, можно использовать лишь ту пару уровней, между которыми возможен переход, т.к. не все переходы между любыми двумя уровнями разрешены природой.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому в любом теле, сколь угодно сильно нагретом, поглощение света будет преобладать над излучением при вынужденных переходах.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

При этом, как и в любом резонаторе, условие резонанса выполняется только у тех волн, для которых на двойном оптическом пути внутри резонатора укладывается целое число длин волн. Наиболее благоприятные условия складываются для волн, распространяющихся вдоль оси резонатора, что и обеспечивает чрезвычайно высокую направленность излучения лазера.

Выполнение описанных условий еще недостаточно для генерации лазера. Для того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым. Действительно, пусть часть светового потока, падающего на выходное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на выходное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода выходного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего –; еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения выходного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество. Таким образом, в списке источников потерь зеркала стоят на первом месте.

Другим источником потерь являются торцы трубки с активной средой. Для уменьшения потерь на границе этой трубки выходные окошки делают скошенными под углом Брюстера (рис. 4). Линейно поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер генерирует линейно поляризованный свет.

При выполнении этих трех условий мы получим систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером. Слово «лазер» составлено из первых букв английской фразы:» L ight a mplification by s timulated e mission of r adiation», что означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».

Генерация когерентного света происходит одинаково во всех лазерах, как газовых, так и твердотельных. Особенности газового лазера и отличие отдельных видов газовых лазеров друг от друга связаны с выбором рабочего газа и способом создания инверсии населенностей.

Особенности газов как материала для лазера

Энергетический спектр газа отличается от спектра твердого тела прежде всего тем, что он весьма точно соответствует разностям энергетических уровней отдельных атомов и молекул. Это свойство газов позволяет предсказать множество возможных схем энергетических переходов в различных газах.

Другая особенность газов –; их высокая оптическая однородность. Плотность газа мала, поэтому свет в газе практически не рассеивается, и световой луч не искажается. Это позволяет использовать в газовых лазерах большие расстояния между зеркалами. Поэтому с помощью газового лазера легко получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

Наряду с достоинствами газ как рабочая среда для лазера обладает и недостатком: плотность газа значительно ниже плотности твердых тел, и поэтому в единице объема газа нельзя получить такое большое количество возбужденных атомов, излучающих свет, как в твердом теле. В результате этого даже большие размеры газовых лазеров пока не дают возможности получить те высокие импульсные мощности, которые дают лазеры на твердом теле.

Одна из особенностей газов состоит в многообразии различных физических процессов, приводящих к образованию инверсии населенностей. Такими процессами являются неупругие соударения атомов разного «сорта», диссоциации молекул при соударении их в электрическом разряде, возбуждение атомов электронным ударом, светом и т.д.

Чаще всего инверсия населенностей создается в процессе электрического разряда. Эти лазеры называются газоразрядными.

Газоразрядные лазеры

В них инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударении со свободными быстрыми электронами, образующимися в электрическом разряде.

Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходят недостаточно интенсивно.

При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот, слишком частыми. Из-за этого электроны не успевают достаточно ускориться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых волн λ. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, ионов и молекул. На рисунке 5 показана схема энергетических уровней, характерная для газа. Самыое большое значение энергии W_i в атоме соответствует его ионизации (в атомарном газе) или энергии диссоциации молекулы (в молекулярном газе). А –; область уровней, между которыми происходят лазерные переходы. Уровни, лежащие выше серии А, обычно образуют плотную систему, которая в своей верхней части соответствует почти непрерывному спектру. Если атом попадает на один из этих верхних уровней, то он очень быстро «скатывается» по тесно расположенным уровням до верхних уровней серии А, на которых он может некоторое время «задержаться». Именно большое время жизни атома на верхних уровнях серии А, служащих верхними уровнями рабочих лазерных переходов, и позволяет создать инверсию населенностей в газе. Напротив, на нижних уровнях серии А, например W₃, в большинстве газов атомы долго не задерживаются, покидают их достаточно быстро. Это дополнительно способствует достижению инверсии населенностей между верхними и нижними уровнями серии А.

Однако, существует фактор, нарушающий эту идиллию. В спектрах многих газов (в частности инертных) под нижними короткоживущими уровнями серии А (под уровнем W₃) расположен метастабильный уровень W₂, на котором атом может находиться сравнительно долго и населенность которого поэтому велика. Наличие долгоживущего метастабильного уровня W₂ препятствует образованию инверсии населенностей, т.к. часть атомов, находящихся на уровне W₂, легко переходит на уровень W₃. Уровень W₂ является как бы «резервуаром», питающим уровень W₃ и не дающим ему опустошиться.

Это осложнение можно обойти, добиваясь инверсии населенностей за счет более интенсивного заселения верхних уровней W₄ и W₅, а также за счет «разгрузки» уровня W₂. Последнее происходит, например, при столкновении атомов, находящихся в состоянии W₂, со стенками газоразрядной трубки, что приводит, в свою очередь, к уменьшению населенности уровня W₃.

Рассмотрим более подробно (рис. 6) способ осуществления инверсии населенностей на примере гелий-неонового лазера.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня W₁ на долгоживущие возбужденные уровни W₅ и W₄. Инверсия населенностей создается большей заселенностью W₅ и W₄ по сравнению с короткоживущим уровнем W₃. Однако в чистом неоне созданию инверсии населенностей мешает метастабильный уровень W₂.

Эта трудность была преодолена введением в неон 15% примеси гелия. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней W₂ и W₃ атомов гелия почти точно совпадают с энергиями уровней W₄ и W₅ атомов неона. Поэтому атомы гелия вместо быстрого перехода в основное состояние за счет спонтанного излучения часто передают при столкновениях избыток своей энергии атомам неона. Небольшое различие энергий уровней (

0.05 эВ) восполняется кинетической энергией движущихся атомов. Такая передача энергии называется резонансным возбуждением. В результате такого столкновения атом гелия переходит в основное состояние W₁, а атом неона –; в возбужденное метастабильное состояние W₄ или W₅. Таким образом, при соударении атомов гелия, возбужденных в разряде на уровни W₂ и W₃, с атомами неона в основном состоянии происходит дополнительное заселение уровней W₄ и W₅ атомов неона. Гелий в гелий-неоновом лазере служит резервуаром возбуждений, резонансным образом передаваемых от гелия к неону.

Если правильно подобрать парциальные давления гелия (

0.1 мм. рт.ст.) в смеси, то можно добиться заселенности одного или обоих уровней W₄ и W₅ атомов неона, значительно превышающей населенность этих уровней в чистом неоне, и получить инверсию населенностей между уровнями W₄, W₅ и W₃.

Интересно, что опустошение нижнего короткоживущего уровня W₃ неона в гелий-неоновом лазере происходит под влиянием соударений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Эти соударения по-разному влияют на населенность различных уровней. Они практически не изменяют населенности уровней W₄, W₅ и непосредственно W₃, т.к. время жизни атома на этих уровнях недостаточно велико, чтобы атомы, находящиеся в этих состояниях, могли «добраться» до стенки. Эти уровни разрушаются гораздо раньше. В то же время атомы на уровне W₂ живут долго и добираются до стенок. Соударения со стенками разгружают уровень W₂, в результате чего атомы неона переходят с уровня W₃ на более низкий W₂, т.е. уровень W₃ опустошается быстрее, чем при заселенном W₂.

Многомодовые и одномодовые лазеры

В действительности, уровни W₃, W₄ и W₅ неона представляют собой полосы из большого числа тесно расположенных уровней. В спектрометре с небольшим разрешением мы видим одну линию (1 на рис.7), тогда как на самом деле она представляет собой целый набор линий с очень близкими частотами.

Ширина спектральной линии атома Ne определяет область частот, в которой может иметь место генерация света при инверсии населенностей соответствующего перехода. Оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал (резонатор Фабри-Перо), вырезает из этой относительно широкой спектральной линии гораздо более узкие линии (2, 3, 4), соответствующие собственным частотам резонатора. Если усиление в Ne достаточно велико, то генерация может возникнуть на большом числе собственных частот (мод) резонатора, для которых усиление превышает потери света в газе и зеркалах (рассеяние и поглощение). Например, при уровне потерь β₁ могут генерировать три моды, при β₂ –; одна центральная. Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление больше потерь в резонаторе. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одномодовом режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рис. 7) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы усиливалась только одна мода. Так как линии генерации в основном определяются собственными частотами оптического резонатора, стабильность газового лазера будет определяться стбильностью резонатора, т.е. неподвижностью зеркал. Для регулировки положения зеркал испоьзуют явления магнитострикции стержней или пьезокерамические пластины на зеркалах.

Длина лазеров на смеси гелий-неона обычно порядка 1 –; 2 м, что позволяет получить высокую направленность лазерного луча (реально получена расходимость

1-2′). Кроме очень высокой направленности, гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Несмотря на малую выходную мощность (10 –; 100 мВт), гелий-неоновый лазер –; один из самых распространенных.

Источник