АНАТОМИЯ ЛАЗЕРА

Как выглядит лазер? На что он похож? Такие вопросы мы задали нескольким людям, не имевшим никакого отношения к лазерной технике. Все они уверенно ответили, что по внешнему виду лазер напоминает этакий «пенал» цилиндрической или прямоугольной формы длиной около метра; излучение выходит из торца «пенала».

Действительно, так выглядят многие лазеры и, в частности, широко используемые на практике лазеры на рубине и гранате с неодимом, гелий-неоновый лазер, некоторые типы С02-лазеров. Вместе с тем существуют лазеры, которые явно не подходят под такое описание. В качестве примера можно указать миниатюрные полупроводниковые лазеры, свободно умещающиеся на ладони, или газодинамические лазеры-гиганты, длина которых достигает нескольких десятков метров, а масса измеряется тоннами. Вообще, надо подчеркнуть, лазеры отличаются большим разнообразием. Существует огромное число разных типов лазеров; они различаются не только характеристиками генерируемого ими излучения, но также внешним видом, размерами, особенностями конструкции.
О том, какие бывают лазеры, мы подробнее поговорим позднее. Пока же отметим, что несмотря на многообразие все лазеры имеют одну и ту же и притом весьма простую принципиальную схему. Она содержит всего три основных узла -активный элемент, устройство накачки, оптический резонатор.
«Сердце» лазера-его активный элемент. У одних лазеров он представляет собой кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической формы. У других-это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь. У третьих-кювета со специальной жидкостью. Соответственно различают лазеры твердотельные, газовые и жидкостные.
Рассмотрим подробнее, что такое активный элемент твердотельного лазера. Отдаленно он похож на кекс с изюмом. Роль кекса (по-научному его именуют матрицей или основой) играет кристалл диэлектрика или стекло. «Изюминками» являются атомы или, точнее, ионы, специально вводимые в виде небольшой

Выходное
зеркало
Резонатор

Так просто выглядит схема лазера. Сопоставьте ее со схемой фантастического гиперболоида инженера Гарина, которую мы приводили в самом начале книги. Легко заметить, что эти схемы существенно различны

примеси в кристалл в процессе его изготовления. Их называют активными центрами. Подчеркнем - всякий лазер имеет активный элемент, во всяком активном элементе есть активные центры. Именно в них и зарождается лазерное излучение. Можно сказать, что лазерный луч возникает как суммарный эффект дружного высвечивания огромного множества активных центров.
Заметим, что у полупроводниковых лазеров (где активный элемент - кристаллик полупроводника или контакт из двух полупроводников разного типа) активных центров нет; лазерное излучение рождается здесь в результате соответствующих изменений состояния электронного коллектива. Мы поговорим об этом позднее.
Лазер на рубине-это лазер, в котором активным элементом служит кристалл розового рубина. Здесь основа-окись алюминия (А12Оэ), а активные центры- ионы хрома (Сг3+). Доля ионов хрома составляет в данном случае 0,05 %; благодаря им рубин имеет розовую окраску.. В лазере на гранате с неодимом активным элементом является кристалл алюмо-иттри- евого граната (Y3A15012), в который в качестве активных центров введены ионы неодима (Nd3 + ).
В гелий-неоновом лазере активный элемент - газоразрядная трубка, где под давлением около 1 мм рт.ст. (1 мм рт. ст. — 130 Па) находится смесь гелия и неона; парциальное давление неона в 5-10 раз меньше,

чем гелия. Активными центрами являются здесь атомы неона. В С02-лазере в газоразрядной трубке находится смесь, состоящая из углекислого газа (С02), молекулярного азота (N2) и разных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т.д.; активные центры - молекулы С02.
Из жидкостных лазеров наиболее широко применяются лазеры на органических красителях. Красители- сложные органические соединения, способные сильно люминесцировать и притом в достаточно широкой полосе частот. В лазерах чаще всего используют краситель родамин 6G. Активный элемент таких лазеров- кювета с растворителем (водой, спиртом, бензолом и т.д.), в котором растворен краситель; активные центры - молекулы красителя.

Как уже говорилось, лазерное излучение рождается в результате высвечивания активных центров. Необходимо, очевидно, предварительно возбудить эти центры или, образно выражаясь, накачать их энергией. Для этого и предназначается устройство накачки.
В твердотельных лазерах применяется оптическая накачка. Параллельно активному стержню помещается газоразрядная лампа-вспышка. С помощью специального отражателя световая энергия, испускаемая лампой, собирается на активном стержне. Она частично поглощается в нем, что и приводит к возбуждению активных центров. Оптическая накачка используется также в лазерах на красителях.

Три основных конструктивных элемента имеет твердотельный лазер: 1 — активный стержень, 2 — лампу-вспышку, 3 — отражатель. В поперечном разрезе отражатель — это эллипс. В фокусе эллипса находится лампа-вспышка, а в другом — активный стержень. Испускаемые лампой-вспышкой световые лучи, отразившись от эллиптической поверхности отражателя, собираются на активном стержне

В газовых лазерах оптическая накачка, как правило, не применяется Здесь обычно используют возбуждение с помощью электрического разряда в газе. Так, в гелий-неоновом лазере возбуждение активных центров (атомов неона) происходит при столкновениях частиц в тлеющем разряде. Образующиеся в разряде быстрые электроны возбуждают атомы гелия, а те, в свою очередь, передают энергию возбуждения атомам неона. Передача энергии от одних частиц к другим совершается при их столкновениях друг с другом. Следует отметить, что способы накачки газовых лазеров довольно разнообразны. В частности, широко применяется возбуждение активных центров за счет энергии, освобождающейся при определенных химических реакциях (химические лазеры).
Пусть имеются активный элемент и устройство накачки. Включим устройство накачки и тем самым обеспечим возбуждение активных центров. Достаточно ли этого для того, чтобы последовавшее за возбуждением высвечивание активных центров привело к образованию лазерного луча? Легко сообразить, что этого недостаточно. Ведь активные центры будут высвечиваться во всевозможных направлениях; нам же требуется, чтобы массовое высвечивание происходило в каком-то определенном направлении. Значит, надо выделить в пространстве (как-то задать, фиксировать) направление, в котором бы совершалось дружное высвечивание большинства возбужденных активных центров. Эту задачу решает оптический резонатор лазера. Он представляет собой систему специальных зеркал; активный элемент находится внутри системы зеркал, т.е. внутри оптического резонатора.
В простейшем случае резонатор образован всего двумя плоскими взаимно параллельными зеркалами; они находятся на торцах активного стержня или у выходных концов газоразрядной трубки. Одно из зеркал может быть полностью отражающим; зато другое должно частично пропускать излучение. Это второе зеркало называют выходным; именно сквозь него и выходит лазерный луч. Луч направлен перпендикулярно плоскости зеркал, т.е. параллелен оси активного стержня или оси газоразрядной трубки. Доля световой энергии, проходящей через выходное зеркало (коэффициент пропускания зеркала), различна для разных лазеров. У гелий-неоновых лазеров она обычно состав

ляет всего около 1%, а у лазеров на гранате с неодимом может быть 50% и больше.
Итак, надо взять активный элемент, поместить его в оптический резонатор и включить устройство накачки. Вот, собственно говоря, и всё-лазер работает. Мы видим, таким образом, что анатомия лазера довольно проста. Однако простота эта обманчива. В действительности же за ней скрывается сложная картина физических процессов, происходящих внутри активного элемента. Благодаря оптическому резонатору эти процессы развиваются не хаотически, а «в нужном направлении». В результате и рождается когерентный лазерный луч. Нельзя понять лазер, не разобравшись в сущности того, что именно совершается в активном элементе и в оптическом резонаторе. Конструктивно лазер довольно прост, зато он далеко не прост с точки зрения физики происходящих в нем процессов. Займемся же теперь физикой лазера. А для этого прежде всего обсудим, как взаимодействует свет с атомами и молекулами.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме АНАТОМИЯ ЛАЗЕРА:

- Популярная физика -