Впервые изготовленные в 1960 г., лазеры (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света, стимулированное эмиссией излучения) получили широкое применение в различных областях науки и техники в качестве источников света благодаря своим уникальным свойствам:
- лазеры обладают высокой когерентностью (пространственной и временной), что позволяет их использовать в качестве идеального точечного источника света с узким коллимированным (нерасходящимся) лучом света;
- излучение лазера — монохроматическое, причем длину волны излучения можно перестраивать;
- лазерный луч можно сфокусировать до субмикронных размеров. Это позволяет проводить микроспектрофотометрические эксперименты с высоким разрешением. Кроме того, передачу таких лучей можно осуществлять при помощи специального оптоволокна (см. статью оптоволокно).
- в специальных опто-акустических методах исследования используются сверхкороткие (в фемтосекундной временной шкале) импульсы лазерного света с высокой скоростью повторения импульсов.
Виды лазеров
Для получения лазерного излучения используются твердые, жидкие и газообразные материалы. Длина волны лазерного излучения может быть любого спектрального диапазона — от ультрафиолетового до инфракрасного. Излучение лазера может быть либо непрерывным («cw» — от continuous wave = непрерывная волна), что характерно для большинства газовых лазеров: гелиевых, аргоновых, неоновых или на диоксиде углерода, либо импульсным.
Полупроводниковые или диодные лазеры
Во многих отношениях в настоящее время классические лазеры в оптической технике вытесняют полупроводниковые или диодные лазеры.
Первый прототип такого лазера был создан в 1970 г.
Размеры диодных лазеров лежат в миллиметровом диапазоне, они недорогие, а их излучение может достигать гигагерцового диапазона. Принцип действия таких лазеров аналогичен действию светоизлучающего диода. Полупроводниковые лазеры являются лазерами с четырьмя состояниями. Длины волн их излучения лежат вблизи 680, 800, 1 300 и 1 500 нм, что значительно ограничивает их применение. Через удвоение частоты можно получить ультрафиолетовый диапазон (315 нм), но интенсивность излучения при этом уменьшается. Так как толщина излучающего слоя составляет несколько микрометров, пучок излучения получается расходящимся (действие щели). Поэтому в таких лазерах применяется коллимирующая оптика.
Лазеры на красителях
Еще одним важным типом лазеров являются жидкостные лазеры на красителях.
Небольшая концентрация специфического органического пигмента (например, 10-4 М родамина в этаноле или флуоресцеина в воде) функционирует как лазерный материал, излучающий свет в широком спектральном диапазоне (> 50 нм). Состояния с близко расположенными молекулярными колебательными уровнями энергии служат излучающим лазерный свет материалом. Используя дисперсионное устройство, например призму или решетку, размещенную между зеркалами резонатора, можно получить непрерывно перестраиваемое излучение. Таким образом, применяя всего лишь пять красителей, можно получить излучение во всем видимом диапазоне.
Принцип работы лазера
Принцип действия лазера основывается как на фотофизических законах, так и на законах оптики. Основным требованием получения лазерного излучения является обеспечение длительного времени жизни возбужденного электронного состояния атомов или молекул, что достигается инверсной заселенностью уровней, благодаря чему большинство частиц остаются в своем возбужденном (W2), а не основном (W1), состоянии (см. рис. 1).
Рис. 1. Спонтанная и вынужденная (стимулированная) виды эмиссии между двумя электронными состояниями W1 и W2
Таким образом, в дополнение к «нормальному» абсорбционному переходу может быть инициирован обратный переход из возбужденного состояния в основное светом с энергией hv (в пределах естественного «длительного» времени жизни порядка 10-3 с, в отличие от 10-9 с спонтанной эмиссии).
В трехуровневом лазере переход в активное состояние W2 достигается посредством внутренней конверсии с более высокого энергетического уровня W3 (см. рис. 2); вынужденный переход с уровня W1 на уровень W3 называется «накачкой». Примером лазера такого типа является рубиновый лазер, в котором активным материалом являются ионы хрома Сr, внедренные в А12О3.
Рис. 2. Сравнение принципов работы трех- и четырехуровневых лазеров. Трехуровневый лазер: накачивание энергии с W, до W3 состояния завершается возвращением на уровень W, через метастабильное состояние W2, что определяет стимулированный лазерный переход W2—> Wr Четырехуровневый лазер: получение инверсии заселения получить гораздо легче ввиду того, что до вынужденной эмиссии состояние W2 совершенно пусто
Такой лазер излучает красный свет с длиной волны 694,2 нм. Примером четырехуровневых лазеров являются хорошо известные неодимо-YAG лазеры (основная длина волны излучения 1 064 нм), в которых ионы Nd внедрены в Y3Al5O12 (алюмо-иттриевый гранат). Они характеризируются тем, что основное состояние W1 в них отличается от наиболее низкого лазерного состояния W2. Уровень W2 почти пустой, что позволяет инверсию заселенности с W3 на W2 с меньшей мощностью накачки. Неодим-YAG лазеры могут функционировать в непрерывном режиме (cw), при этом в качестве светового источника накачки используются йодид-вольфрамовые лампы. Максимальная мощность света данных лазеров составляет 100 Вт, а их КПД = 2%.
На Студворк вы можете заказать статью по физике онлайн у профильных экспертов!
Комментарии