Реферат: Лазерная технология

Главной особенностью этих переходов является то, что излучаемый под действием внешнего поля квант полностью когерентен с этим полем, т. е. имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и распространяется по тому же направлению. Таким образом, вынужденное излучение является когерентным по отношению к внешнему полю. Вероятностные коэффициенты Эйнштейна_, B₂₁ и B₁₂ связаны между следующим образом:

B ₁₂ = B _{21 ,} A ₂₁ =(8п hv ³ / c ³ )* B ₁₂ .

В обычных условиях сред, близких к равновесию, имеет место ослабление рассматриваемой волны по закону Бугера: I = I ₀ e ^{- kx} , N ₁ > N ₂ , k <0 , т.е. происходит вынужденное (положительное)поглощение. Если в среде создать условие N ₂ > N ₁ , то в этом случаеk >0 и среда будет усиливать проходящую волну, т.е. будет наблюдаться отрицательное поглощение. Среды, у которых выполняется это условие, называются средами с инверсией заселенности или активными средами.

Когда в условиях инверсии заселенности уровней электрон переходит на нижний уровень, испуская фотон, то последний, проходит через множество окружающих его возбужденных атомов и способен вызвать излучение фотона у какого- либо из них. Оба фотона перемещаются в одном и том же направлении и к тому же они практически когерентны. Каждый из этой пары фотонов может повторить тот же процесс, и через очень непродолжительное время благодаря своего рода цепной реакции образуется фотонная лавина, в которой все фотоны имеют одну и туже частоту, все движутся в одном направлении и все оптически когерентны. Эта лавина фотонов может быть значительно усилена с помощью одного оптического трюка. Если всю систему поместить в резонатор (между двумя не полностью отражающими зеркалами), то в высокой степени когерентный и направленный свет будет многократно проходить внутри области инверсией заселенности. Поскольку скорость света очень велика, весь процесс многократного отражения света с постоянно нарастающей интенсивностью происходит за весьма малый промежуток времени, и при соблюдении необходимых условий возникает очень интенсивный и очень кратковременный световой импульс, обладающий совершено особыми свойствами. Лазерные лучи строго монохроматичны и когерентны, имеют очень малую угловую расходимость, имеют огромную мощность излучения.

Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо иметь частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, резонатор и устройство, обеспечивающее получение инверсного состояния. Частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, называют активными веществами лазера. Совокупность же элементов, обеспечивающих получение инверсной заселенности, называют устройством или системой накачки.

2.2 Активные вещества

В настоящее время в качестве активных веществ лазеров используются твердые тела, полупроводники, жидкости, газы. В соответствии с этим различают твердотельные лазеры, т. е. лазеры, у которых в качестве активного вещества используются диэлектрические кристаллы или стекла с примесью активных частиц; жидкостные лазеры, у которых активное вещество находится в жидком состоянии; полупроводниковые лазеры и газовые лазеры, активными частицами которых могут быть атомы, ионы или молекулы собственно газов или пары металлов.

Активное вещество твердотельных лазеров состоит из двух основных компонентов: матрицы и активатора. Энергетические уровни атомов в кристалле отличаются от уровней свободных атомов, так как на атом в кристалле воздействуют электрические и магнитные поля окружающих атомов. Это приводит к расщеплению уровней, появлению подуровней и, в конечном счете, энергетических полос. Наибольшее расширение испытывают уровни внешних электронов, так как внутренние электроны экранируются от воздействия полей соседних атомов внешними электронными оболочками. В качестве матрицы используются диэлектрические кристаллы, запрещенная зона которых обычно составляет несколько электрон-вольт. Поэтому чистая кристаллическая основа является совершенно бесцветной и прозрачной средой. Введение в кристаллическую основу ионов активатора приводит к появлению в активированном кристалле областей селективного поглощения и спонтанной люминесценции (центров окраски). Ионы активатора замещают ионы основы, поэтому радиус иона активатора должен практически совпадать с радиусом иона матрицы. Чем точнее это геометрическое соответствие, тем более высокие концентрации ионов активатора в основе могут быть достигнуты без заметных оптических дефектов. Атом активатора в кристаллической основе должен иметь метастабильный уровень с большим временем жизни и узкой линией люминесценции (шириной не более нескольких см^-1 ). Чем больше время жизни верхнего уровня лазерного перехода и чем меньше ширина его линии, тем меньше мощность накачки, при которой достигается инверсная населенность. Ширина линий люминесценции и их число должны быть минимальными также и для увеличения квантового выхода люминесценции, т. е. отношения числа фотонов, поглощенных активным веществом на частоте накачки, к числу фотонов, излучаемых данным активным веществом на частоте лазерного перехода. Квантовый выход характеризует, в конечном счете, эффективность преобразования поглощенного некогерентного из лучения в когерентное. Перечисленным выше требованиям отвечают актиноидные (U —уран), редкоземельные (Nd, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Но, Er, Tu, Yb) и некоторые переходные (Сг, Со, Ni) металлы. Малая ширина спектральных линий у этих атомов объясняется тем, что лазерные переходы у них соответствуют переходам электронов в глубоко лежащих слоях, хорошо экранированных от воздействия внешнего поля кристаллической решетки.

Свойства активного вещества определяются не только активатором, но и матрицей. Матрица должна быть прозрачной, т. е. не иметь ни собственного, ни примесного поглощения на частоте генерации, иметь высокую оптическую и механическую однородность, теплопроводность, твердость, термическую и химическую стойкость. В качестве матриц активных веществ широко используются:

— простые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой (рубин А1₂ О₃ : Сг³⁺ ; иттрий-алюминиевый гранат, активированный неодимом, Y₃ Al₅ O₁₂ : Nd³⁺ ; вольфрамат кальция, активированный неодимом, и др.);

— смешанные фторидные кристаллы с разупорядоченной структурой (CaF₂ — SrF₂ :Nd¹³⁺ ; BaF₂ — GdF₃ : Nd³⁺ и др.);

— оксидные лазерные кристаллы с разупорядоченной структурой (Lr0₂ — Y₂ 0₃ : Nd³⁺ ; Na₅ N (WO₄ ): Nd³⁺ и др.);

— лазерные стекла.

В лазерные стекла ионы активатора входят не как ионы, изоморфно замещающие катионы решетки, а как компоненты стекла. Стекла имеют несомненные преимущества перед кристаллическими основами. Они изготовляются из дешевого сырья, просты в производстве и могут производиться массово с заданными и воспроизводимыми свойствами. Из стекол просто изготовить изделия любых размеров и формы при сохранении высокой однородности состава и изотропности свойств. Одним из самых важных их преимуществ является возможность введения активатора в практически любых концентрациях. Так, концентрация неодима в стекле достигает 3—4%, в то время как концентрация хрома в рубине не должна превышать сотых долей процента.

Рабочие схемы активных веществ твердотельных лазеров подразделяются на трех- и четырехуровневые. По какой из схем работает данный активный элемент, судят по разности энергий между основным и нижним рабочими уровнями. Чем больше эта разность, тем при более высоких температурах возможна эффективная генерация. Так, например, у иона Сг³⁺ основное состояние характеризуется двумя подуровнями, расстояние между которыми составляет 0,38 см^-1 . При такой разности энергий даже при температуре жидкого гелия (~4К) заселенность верхнего подуровня только на ~13°/₀ меньше нижнего, т. е. они заселены одинаково и, следовательно, рубин — активное вещество с трехуровневой схемой при любой температуре. У иона неодима же нижний лазерный уровень для излучения при =1,06 мкм расположен на 2000 см^-1 выше основного. Даже при комнатной температуре на нижнем уровне ионов неодима в 1,4 -10⁴ раз меньше, чем на основном, и активные элементы, у которых в качестве активатора используется неодим, работают по четырехуровневой схеме.

Полупроводниковые активные вещества отличаются тем, что в них используются оптические переходы между состояниями в электронных энергетических зонах, т. е. в оптических переходах участвуют свободные носители тока (электроны и дырки). Кроме того, в полупроводниках излучательные переходы могут возникать также за счет примесных центров и экситонов. (Экситоном называется элементарное электрически нейтральное возбуждение, имеющее характер квазичастицы в полупроводниках и диэлектриках). Если энергия возбуждения меньше ширины запрещенной зоны, то при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости может образоваться пара электрон — дырка. Электрон и дырка, образующие такую пару, не могут перемещаться независимо, а находятся в связанном состоянии электрически нейтральной квазичастицы — экситона. Экситоны имеют зонный энергетический спектр, целый спин. Им приписывают квантовые числа.

Наиболее простыми и наглядными являются переходы «зона — зона», когда переход из зоны проводимости в валентную зону происходит с излучением фотона, а обратный — с поглощением.

Под воздействием накачки электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, и образуется пара электрон — дырка. Как и любая система, электрон и дырка стремятся занять положение, соответствующее минимальной энергии, поэтому электрон стремится занять разрешенное положение возле дна зоны проводимости, а дырка — возле потолка валентной зоны. Практически у всех полупроводников состояния у дна зоны проводимости являются метастабильными, и в этом отношении они могут считаться четырехуровневыми системами.

Для полупроводников, легированных водородоподобными атомами (например, атомом цинка в арсениде галлия), характерны переходы «зона — примесь». Атомы примеси быстро захватывают избыточные носители из близкой к ним зоны, так что скорость рекомбинации через примесь сравнима со скоростью межзонной рекомбинации, и переход осуществляется между уровнем примеси и зоной собственно полупроводника. В случае сильного легирования уровни уширяются, энергия ионизации уменьшается и в пределе уровни полностью сливаются с собственной зоной. Ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, а длина волны генерируемого излучения увеличивается.

Излучательные переходы возможны и в донорноакцепторных парах, т. е. возможны переходы между водородоподобными примесями у обоих краев запрещенной зоны. Такие переходы происходят с большим квантовым выходом, но они достаточно ярко выражены только в слаболегированных полупроводниках.

К полупроводниковым лазерам относят обычно и лазеры на твердых растворах родственных соединений, часто называемых лазерами на основе гетеропереходов. Эти растворы интересны, прежде всего, тем, что при смешивании соединений с одинаковым типом решетки можно получить непрерывный ряд твердых растворов с практически непрерывным изменением ширины запрещенной зоны, а, следовательно, и длины волны лазерного излучения.

В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют:

— растворы дикстонатов редкоземельных элементов (европия, тербия или неодима) в органических красителях;

— растворы неорганических соединений редкоземельных элементов;

— красители — сложные органические соединения, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В жидкостных лазерах с редкоземельными элементами лазерное излучение возникает на переходах с метастабильных уровней ионов этих элементов. Возбуждение активного иона в металлоорганичеокой жидкости происходит в результате внутримолекулярной передачи энергии от органической части комплекса к иону.

В неорганические растворители в настоящее время вводят только один активный элемент — неодим. Генерация идет по четырехуровневой схеме. Излучение накачки поглощается собственными полосами поглощения иона неодима. В качестве растворителя часто используют двухкомпонентные смеси оксихлоридов селена (SеОС1₂ ) и фосфора (РОС1₃ ) с галогенидами элементов III, IV и V групп.

Наиболее эффективными лазерными материалами на органических красителях являются кумарины, фталимиды, производные окзасола и диозола, ксантеновые, полиметиновые и оксазиновые красители. Активным веществом в них выступает краситель, а матрицей — растворитель. Спектр генерации органических красителей без селекции типов колебаний обычно составляет 5—20 нм. Введением селективных элементов можно сузить спектр лазерного излучения до 0,05—1 нм без существенного уменьшения выходной мощности и осуществлять перестройку длины волны излучения в одном и том же растворе в пределах десятков нанометров. Перестройка в более широком диапазоне возможна путем изменения концентрации и состава раствора красителя.

В жидких лазерных средах может быть достигнута большая концентрация активных частиц, что позволяет получать, так же как и в лазерах на твердом теле, большие энергии и мощности излучения с единицы объема активного вещества. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, вследствие чего их оптические характеристики по объему изотропны и постоянны, а это способствует получению излучения с высокой степенью пространственной когерентности и направленности. В жидкостных лазерах не возникают необратимые разрушения активного вещества при больших плотностях энергии.

К недостаткам жидких лазерных материалов следует отнести высокие значения температурных изменений коэффициента преломления, что приводит к появлению значительных оптических неоднородностей и к ухудшению генерационных характеристик. При больших плотностях лазерного излучения необходимо считаться также с нелинейными эффектами.