Каков принцип действия трехуровневого лазера

Трехуровневый лазер

При создании лазера часто используют систему трех энергетических уровней атома, среди которых средний уровень является метастабильным, а нижний соответствует основному состоянию атома (рис. 28.3).

Квантовая физика. 2014

Смотрите также похожие статьи.

• Трехуровневый лазер
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Лазер трехуровневый
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Рубиновый лазер
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Рубиновый лазер
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 3. Принцип действия лазера
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Выход излучения из лазера
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Лавинообразное нарастание интенсивности излучения в лазере
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Квантовые генераторы (лазеры)
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Вынужденное излучение
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Лазеры
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Лазер рубиновый
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• 1. Применение лазеров
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• § 28. Лазеры
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• ПРОХОРОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (1916-2002)
  Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике

Квантовая физика

Copyright © 2013-2024 Физика Класс. FizikaKlass.ru. Сайт, посвященный науке физике. Статьи, иллюстрации, вопросы и ответы по физике. Рассказы об ученых физики, а также большая физическая энциклопедия.

Принцип работы лазера

Для начала рекомендуется изучить теоретические сведения о спонтанных и индуцированных переходах.

Для работы лазера необходимы некоторые важные условия. Прежде всего это относится к энергетическому спектру излучающего вещества, называемого активным.

По положению двух энергетических уровней, между которыми осуществляется рабочий переход атомов активного вещества, лазеры подразделяются на трёхуровневых (рис. 7.2) и четырёхуровневые (рис. 7.3).

В трёхуровневой системе, характерной для оптического квантового генератора (ОКГ) на рубине, часть атомов активного вещества за счет энергии накачки переводится из основного состояния в широкую полосу 3, затем атомы безизлучательно переходят на метастабильный уровень 2, накапливаясь на нем. Если мощность накачки достаточно велика, то между уровнями 2 и 1 создается инверсия заселенности.

В четырехуровневой системе (рис. 7.3) конечный (нижний) уровень 4 рабочего перехода расположен достаточно далеко от основного уровня (Е₄ ≥ 8 kT), в связи с чем его населённость меньше населённости основного уровня, поскольку число частиц с энергией E_n определяется из распределения Больцмана

где Т — абсолютная температура системы, z_c — нормирующий множитель, N — полное число частиц (∑(N_m) = N ).

Поэтому инверсия населенности уровня 2 по отношению к уровню 4 может быть достигнута при меньших мощностях накачки.

К активным веществам ОКГ предъявляются следующие требования:

• ширина спектральной линии изучения атома должна быть как можно уже;
• спектральная область возбуждения (полоса поглощения — уровни 3) должна быть как можно шире и совпадать с максимумом спектрального распределения источника накачки;
• время жизни возбужденного атома в метастабильном состоянии должно быть как можно большим и, по крайней мере, должно превышать время жизни атома на нижнем энергетическом уровне.

Накачка (передача энергия атомами и перевод их в возбужденное состояние) может осуществиться в лазерах различными способами. Наиболее применимы:

• оптическая накачка, когда кванты света необходимой частоты передают энергию атомам;
• передача энергии при развитии газового разряда, когда электроны при соударениях передают свою энергию атомами (соударения первого рода);
• накачка за счет мощного высокочастотного поля и ряд других.

B* + A → A* + B + ∆ E

где А и В — атомы, а звездочка показывает, что атом находится в возбужденном состоянии; ∆Е — дефект энергии.

Энергия возбуждения передается от состояния В* одного атома состоянию А* другого. Происходят следующие процессы, сопровождающиеся обменом энергии между частицами.

1) Электронные соударения (электронные удары первого рода), при которых происходит возбуждение атомов А и В и заселение уровней E₃ B ,E₃ A , E₂ A (рис. 7.4).
Заселенность уровня E₂ A является «паразитной», уменьшающей инверсию населенности.

2) Неупругие столкновения основного (А) и вспомогательного (В) газов. При этом атомы газа В отдают энергию возбуждения атомам основного газа А. Очевидно, имеет место и обратный процесс возбуждения газа В атомами А, уменьшающий населенность уровня E₃ A . Эффективность этих процессов зависит от «дефекта энергии» уровней E₃ A и E₃ B и определяется условием

∆ E_BA = E₃ B — E₃ A ≤ k T_o

поскольку она убывает по закону exp ( -kT_o ).

3) Спонтанное излучение с уровня E₃ A на уровень E₁ A ухудшает условие создания инверсии населенности; спонтанное излучение с уровня E₂ A обеспечивает «сток» отработанных частиц и является полезным.

4) Диффузия электронов и атомов при столкновении их со стенками сосуда, заключающего газовую смесь. Этот процесс в ряде случаев необходим (при мета-стабильном уровне E₂ A ) и повышение его эффективности достигается уменьшением диаметра газоразрядных трубок.

1. Уровни E₂ A и E₃ B должны удовлетворять условию (7.9).
2. Концентрация атомов вспомогательного газа должна значительно превышать концентрацию атомов основного газа (как правило в 5-10 раз), что позволяет обеспечивать преимущественную передачу энергии возбуждения именно основному газу.

Лазер — устройство и принцип действия

Применение лазерных технологий в промышленности переживает настоящий бум. Лазеры используются не только для разделения материала, маркировки или сварки, но также и для очистки. Встретить его можно не только в автомобильной сфере, но и в других отраслях.

Обычное поведение света при прохождении через среду

Обычно при прохождении света через какую-нибудь среду, его интенсивность ослабевает. Численное значение данного ослабления можно найти из закона Бугера:

В данном уравнении, помимо интенсивностей света I при вхождении в среду и при выходе из нее, присутствует еще и коэффициент, называемый линейным коэффициентом поглощения света средой. В традиционной оптике этот коэффициент всегда положителен.

Отрицательное поглощение света

А если бы коэффициент поглощения оказался по какой-то причине отрицательным? Что тогда? Получилось бы усиление света при его прохождении через среду, фактически среда бы демонстрировала отрицательное поглощение.

Условия для наблюдения такой картины можно создать искусственно. Теоретическую концепцию относительно пути к осуществлению предлагаемого явления, в 1939 году сформулировал советский физик Валентин Александрович Фабрикант.

В ходе анализа гипотетической среды для усиления проходящего через нее света, Фабрикант предложил принцип усиления света. А в 1955 году советские физики Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров реализовали данную идею Фабриканта в радиочастотной области электромагнитного спектра.

Рассмотрим физическую сторону возможности отрицательного поглощения. В идеализированном виде энергетические уровни атомов можно представить в виде линий — будто-бы атомы в каждом из состояний обладают лишь строго определенными энергиями E1 и E2. Это значит, что переходя от состояния к состоянию, атом либо излучает, либо поглощает исключительно монохроматический свет точно определенной длины волны.

Но реальность далека от идеала, и на самом деле энергетические уровни атомов имеют определенную конечную ширину, то есть это не линии с точными значениями. Поэтому и при переходах между уровнями будет иметь место некоторая область излучаемых или поглощаемых частот dv, зависящая от ширины энергетических уровней, между которыми осуществляется переход. Значениями E1 и E2 можно обозначить лишь середины энергетических уровней атома.

Итак, поскольку мы приняли, что E1 и E2 – это середины энергетических уровней, то можно рассмотреть атом в двух данных состояниях. Пусть E2>E1. Атом может поглощать либо испускать электромагнитное излучение при переходе между этими уровнями. Допустим, находясь в основном состоянии E1, атом поглотил внешнее излучение с энергией E2-E1 и перешел в возбужденное состояние E2 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B12).

Находясь в возбужденном состоянии E2, атом, под действием внешнего излучения с энергией E2-E1, излучил квант с энергией E2-E1, и вынужденно перешел при этом в основное состояние с энергией E1 (вероятность такого перехода пропорциональна коэффициенту Эйнштейна B21).

Если параллельный пучок монохроматического излучения с объемной спектральной плотностью w(v) пройдет через вещество, слой которого имеет единичную площадь поперечного сечения и толщину dx, то его интенсивность изменится на величину:

Здесь n1-концентрация атомов в состояниях E1, n2-концентрация атомов в состояниях E2.

Заменив члены в правой части уравнения, приняв что B21=B12, а затем подставив выражение для B21, получим уравнение для изменения интенсивности света на узких энергетических уровнях:

На практике, как было сказано выше, энергетические уровни не бесконечно узки, поэтому следует учесть их ширину. Дабы не загромождать статью описанием преобразований и кучей формул, просто отметим, что введя интервал частот, а затем проинтегрировав по x, получим в итоге формулу для нахождения реального коэффициента поглощения среды:

Поскольку очевидно, что в условиях термодинамического равновесия концентрация n1 атомов в низком энергетическом состоянии E1 всегда больше концентрации n2 атомов в более высоком состоянии E2, то отрицательное поглощение в обычных условиях невозможно, — невозможно усиление света просто при его прохождении через реальную среду без принятия дополнительных мер.

Для того, чтобы отрицательное поглощение все же стало возможным, необходимо создать условия, когда в среде концентрация атомов в возбужденном состоянии E2 будет больше концентрации атомов в основном состоянии E1, то есть нужно устроить в среде инверсное распределение атомов по их энергетическим состояниям.

Необходимость энергетической накачки среды

Для организации инверсной населенности энергетических уровней (для получения активной среды) применяют накачку (например оптическую или электрическую). Оптическая накачка подразумевает поглощение атомами направляемого на них излучения, благодаря чему эти атомы переходят в возбужденное состояние.

Электрическая накачка в газообразной среде подразумевает возбуждение атомов посредством неупругих соударений с электронами газового разряда. По мысли Фабриканта следует исключить при помощи молекулярных примесей некоторые из низкоэнергетических состояний атомов.

Практически невозможно с помощью оптической накачки в двухуровневой среде получить активную среду, так как количественно переходы атомов в единицу времени из состояния Е1 в состояние Е2 и обратно(!) будут в этом случае равноценны, значит необходимо прибегнуть как минимум к трехуровневой системе.

Рассмотрим трехуровневую систему накачки. Пусть на среду действует внешнее излучение с энергией фотонов E3-E1, при этом атомы в среде переходят из состояния с энергией E1 в состояние с энергией E3. Из энергетического состояния E3 возможны спонтанные переходы в состояние E2 и в E1. Чтобы получить инверсную населенность (когда атомов с уровнем E2 в данной среде получится больше), необходимо сделать уровень E2 более долгоживущим, чем E3. Для этого важно соблюсти условия:

Соблюдение данных условий будет означать, что атомы в состоянии E2 остаются дольше, то есть вероятности спонтанных переходов с E3 на E1 и с E3 на E2 превосходят вероятность спонтанных переходов с E2 на E1. Тогда уровень E2 окажется более долгоживущим, и такое состояние на уровне E2 можно будет назвать метастабильным. Следовательно при прохождении света с частотой v=(Е3 — E1)/h через такую активную среду, данный свет будет усиливаться. Можно аналогичным образом использовать и четырехуровневую систему, тогда уровень E3 окажется метастабильным.

Устройство лазера

Итак, лазер включает в себя три главных компонента: активную среду (в которой создается инверсия населенности энергетических уровней атомов), систему накачки (устройство для получения инверсии населенности) и оптический резонатор (многократно усиливающий излучение и формирующий на выходе направленный пучок). Активная среда может быть твердой, жидкой, газообразной или плазмой.

Накачку осуществляют непрерывно или импульсно. При непрерывной накачке, подводимая в среду мощность ограничивается перегревом среды и последствиями этого перегрева. При накачке импульсной, вводимая порциями в среду полезная энергия получается больше за счет высокой мощности каждого отдельного импульса.

Разным лазерам — разная накачка

Твердотельные лазеры накачивают путем облучения рабочей среды газоразрядными вспышками высокой мощности, сфокусированным солнечным светом либо другим лазером. Это всегда импульсная накачка, ибо мощность настолько высока, что при непрерывном воздействии рабочий стержень разрушился бы.

Жидкостные и газовые лазеры накачивают электрическим разрядом. Химические лазеры подразумевают протекание в их активной среде химических реакций, в результате которых инверсная населенность атомов получается либо у продуктов реакции, либо у специальных примесей, имеющих подходящую структуру уровней.

Полупроводниковые лазеры накачиваются током в прямом направлении через p-n-переход или пучком электронов. Кроме того существуют такие способы накачки, как фотодиссоциация или газодинамический способ (резкое охлаждение разогретых газов).

Оптический резонатор — сердце лазера

Оптический резонатор — это система из пары зеркал, в самом простом случае — два зеркала (вогнутые или параллельные), закрепленные друг напротив друга, а между ними по общей оптической оси расположена активная среда в виде кристалла или кюветы с газом. Фотоны, проходящие под углом через среду, покидают ее сбоку, а те что движутся по оси, многократно отражаясь усиливаются и выходят сквозь полупрозрачное зеркало.

Так получается лазерное излучение — пучок когерентных фотонов — строго направленный луч. За время одного прохода света между зеркалами, величина усиления обязана превзойти определенный порог — величину потерь на излучение сквозь второе зеркало (чем лучше пропускает зеркало — тем более высоким должен быть этот порог).

Чтобы усиление света осуществилось эффективно, следует не просто увеличить путь света внутри активной среды, но и добиться того, чтобы выходящие из резонатора волны были в фазе друг с другом, тогда интерферирующие волны дадут максимально возможную амплитуду.

Для достижения данной цели необходимо чтобы любая из волн в резонаторе, вернувшаяся к точке на выходном зеркале и вообще к любой точке внутри активной среды, находилась в фазе с первичной волной после любого числа совершенных отражений. Это возможно когда оптическая длина пути, преодолеваемого волной между двумя возвращениями, удовлетворяет условию:

где m — целое число, в этом случае разность фаз будет кратна 2П:

Теперь раз каждая из волн отличается по фазе от предыдущей на 2пи, значит и все выходящие из резонатора волны будут находиться в фазе друг с другом, что даст интерференцию с максимальной амплитудой. Резонатор будет иметь на выходе почти монохроматическое параллельное излучение.

Функционирование зеркал внутри резонатора обеспечит усиление мод, соответствующих стоячим волнам внутри резонатора, другие моды (возникающие в силу особенностей реальных условий) будут ослаблены.

Рубиновый лазер — первый твердотельный лазер

Первый твердотельный лазер был построен в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. Это был рубиновый лазер (рубин — Al2O3, где некоторые из узлов кристаллической решетки — в пределах 0,5% — заменены трижды ионизированным хромом; чем больше хрома — тем темнее цвет кристалла рубина).

Первый успешный рабочий лазер, сконструированный доктором Тедом Мейманом в 1960 году

Рубиновый цилиндр из максимально однородного кристалла, диаметром от 4 до 20 мм и длиной от 30 до 200 мм, размещается между двумя зеркалами, выполненными в виде слоев серебра, нанесенного на тщательно отполированные торцы данного цилиндра. Спиралевидная газоразрядная лампа обвивает цилиндр по всей его длине, и питается высоким напряжением через конденсатор.

При включении лампы, рубин интенсивно облучается, при этом атомы хрома переходят с уровня 1 на уровень 3 (находятся в этом возбужденном состоянии на протяжение менее чем 10 -7 секунд), здесь реализуются наиболее вероятные переходы на уровень 2 — на метастабильный уровень. Избыток энергии передается кристаллической решетке рубина. Спонтанные переходы с уровня 3 на уровень 1 незначительны.

Переход с уровня 2 на уровень 1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность нахождения на уровне 2 составляет около 10 -3 секунд, что в 10000 раз дольше, чем на уровне 3, в результате в рубине происходит накопление атомов с уровнем 2 — это и есть инверсная населенность уровня 2.

Спонтанно возникающие при спонтанных переходах, фотоны способны вызвать вынужденные переходы с уровня 2 на уровень 1 и спровоцировать лавину вторичных фотонов, но эти спонтанные переходы случайны, и их фотоны распространяются хаотично, в большинстве своем покидая пределы резонатора через боковую его стенку.

Но те из фотонов, которые попадают на ось, испытывают многократные отражения от зеркал, попутно вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые опять же спровоцируют вынужденное излучение и так далее. Эти фотоны станут двигаться в направлении аналогичном первичным, и поток вдоль оси кристалла будет лавинообразно усиливаться.

Многократно возросший поток фотонов выйдет через боковое полупрозрачное зеркало резонатора в форме светового пучка строгого направления, имеющего колоссальную интенсивность. Рубиновый лазер работает на длине волны 694,3 нм, при этом мощность в импульсе может доходить до 10 9 Вт.

Гелий-неоновый лазер

Гелий-неоновый (гелий/неон = 10/1) лазер является одним из наиболее популярных газовых лазеров. Давление в газовой смеси составляет около 100 Па. Неон служит активным газом, на нем получается генерация фотонов с длиной волны 632,8 нм в непрерывном режиме. Функция гелия — создание инверсной населенности одного из верхних энергетических уровней неона. Ширина спектра такого лазера составляет около 5*10 -3 Гц. Длина когерентности 6*10 11 м, время когерентности 2*10 3 c.

При накачке гелий-неонного лазера высоковольтный электрический разряд вызывает переход атомов гелия в метастабильное возбужденное состояние уровня E2. Эти атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона в основном состоянии E1, передавая им свою энергию. Энергия уровня E4 для неона выше уровня E2 гелия на 0,05 эВ. Недостаток энергии компенсируется кинетической энергией соударений атомов. В итоге на уровне E4 неона получается инверсная населенность относительно уровня E3.

Типы современных лазеров

По состоянию активной среды, лазеры подразделяются на: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, а также на кристаллах. По способу накачки могут быть: оптическими, химическими, газоразрядными. По характеру генерации лазеры делятся на: непрерывные и импульсные. Данные типы лазеров создают излучение в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Волоконно-оптические лазеры появились позже других. Они способны создавать излучение в ближнем ИК-диапазоне, такое излучение (при длине волны до 8 мкм) хорошо подходит для волоконно-оптической связи. Волоконно-оптические лазеры содержат световод, в сердцевину которого введено немного ионов подходящих редкоземельных элементов.

Световод, как и у других типов лазеров, устанавливается между парой зеркал. Для накачки в световод подается излучение лазера с нужной длиной волны, чтобы ионы редкоземельных элементов перешли под его действием в возбужденное состояние. Возвращаясь в состояние с меньшим уровнем энергии, эти ионы излучают фотоны с более протяженной длинной волны, чем у инициирующего лазера.

Так световод выступает в роли источника лазерного света. Частота его зависит от вида добавленных редкоземельных элементов. Сам световод выполняют из фторида тяжелого металла, что дает в результате эффективную генерацию лазерного излучения на частоте ИК-диапазона.

Рентгеновские лазеры занимают противоположную сторону спектра — между ультрафиолетом и гамма — это порядки длин волн от 10 -7 до 10 -12 м. Лазеры данного типа имеют наивысшую импульсную яркость из всех типов лазеров.

Впервые рентгеновский лазер был построен в 1985 году в США, в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса. Лазер генерировал на ионах селена, диапазон длин волн составил от 18,2 до 26,3 нм, а наибольшая яркость приходилась на линию с длиной волны 20,63 нм. Сегодня на ионах алюминия достигнуто лазерное излучение с длиной волны 4,6 нм.

Генерация рентгеновского лазера осуществляется импульсами длительностью от 100 пс до 10 нс, что зависит от продолжительностью жизни плазменного образования.

Дело в том, что активная среда рентгеновского лазера представляет собой высокоионизированную плазму, которая получается, например, при облучении мощным лазером видимого или ИК-спектра тонкой фольги из иттрия и селена.

Энергия рентгеновского лазера в импульсе достигает 10 мДж, при этом угловое расхождение в пучке составляет приблизительно 10 милирадиан. Соотношение мощностей накачки и непосредственно излучения составляет около 0,00001.

Применение лазерных технологий в промышленности переживает настоящий бум. Они используются не только для разделения материала, маркировки или сварки, но также и для очистки. Встретить лазеры можно не только в автомобильной сфере, но и в других отраслях. Подробно об этом смотрите здесь: Способы применения лазеров в промышленности

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Принцип действия лазера: особенности лазерного излучения

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия рубинового лазера, основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый диодный лазер из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E₂ и базовый Е₁. Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E₂, то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E₂ — E₁. Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором – спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:10 33 ), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν₀₂ накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E₀ до верхнего Е₂. Безызлучательный переход атомов с E₂ до E₁ устанавливает инверсию населенности между E₁ и E₀, что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E_1, и переход от Е₂ до Е₁ происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E₀ и E₁ достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е₁-Е₀ индуцированного излучения. Более широкий уровень E₂ мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E₁ должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti +3 , Cr +3 , V +2 , Со +2 , Ni +2 , Fe +2 , и т. д.), редкоземельных ионов (Ce +3 , Pr +3 , Nd +3 , Pm +3 , Sm +2 , Eu +2,+3 , Tb +3 , Dy +3 , Ho +3 , Er +3 , Yb +3 , и др.), и актиноидов, подобных U +3 . Энергетические уровни ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и тепловое расширение, имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером твердотельного лазера является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды – вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря показателю преломления слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное полупроводниковыми материалами одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных – гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, — несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями — в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F₂) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar + и отрицательные F — реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью – перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.