Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990), страница 4

е. прн наличии инверсии, и определяет коэффициент усиления. Отрицательное значение коэффициента имеет при обычном термодниами- »4 ные частицы, породят еще два фотона, четыре фотона, затем превращаются в 8, 1б и т. д. (рис. 1.8, а). В таком размножении будут участвовать все взаимодействующие с частицами фотоны патока электромагнитной энергии, которым был освещен ансамбль. В результате на выходе из области, где был расположен ансамбль рабочих молекул, интенсивность пучка света будет значительно превосходить интенсивность на входе (рнс. 1.6, 6). Все выщензложенное приводит нас к заключению о возможности усиления электромагнитных воли при индуцированном излучении в некотором ансамбле атомов при условии, что большинство атомов находится в верхнем из двух энергетических состояний, связанных соответствующим переходом.

Из (1.10) и (1.1!), принимая во внимание, что интенсивности и плотности энергии связаны соотношением р = 1~с, следует, что если излучение пройдет слой, заполненный активными атомами, равный с(х. то на пути ~Ь приращение его интенсивности будет равно с ческом равновесии, и в этом случае ансамбль атомов представляет собой поглощающую среду.

На рис. 1.б, б изображено распространение излучения в усиливающей среде. Как следует иэ (1.15), степень усиления излучения определяется произведением а1. Очевидно, что значительное усиление иа небольшом пути возможно лишь црн очень больших значениях коэффициента а, т. е. при достижении весьма высокой инверсии. В противном случае для этого требуется значительное расстояние, на котором происходит размножение фотонов.

Однако, если ансамбль поместить в резонатор, самым простым вариантом которого является система, состоящая из двух параллельно расположенных плоских зеркал (рис. 1.7), то излучение, прежде чем покинуть резонатор, претерпевает большое число отражений от зеркал, и, таким образом, при этом имеется весьма , большая эффективная длина. В резонаторе, настроенном на частоту колебаний атомов или молекул, находящихся в нем, будет происходить интенсивное нндуцированное излучение. Если испускаемая энергия будет больше потерь в резонаторе, то становится возможным усиление поступающего в резонатор излучения. В тех случаях, когда индуцированное излучение окажется достаточным не только для преодоления потерь и резонаторе, но и в различных его нагрузках, оказывается возможным также н генерирование электромагнитных волн.

Из всего вышеизложенного следует, что необходимыми элементами любого лазера, как правило, являются следующие. 1. Ансамбль молекул, представляющих собою рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия, т. е. распределение по энергиям, несвойственное термодииамическому равновесию, удовлетворяющее условию 1т' > М„д /д„. 2. Устройство, в котором используется какое-лабо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию, т. е., как принято говорить, накачку.

Накачка может быть осуществлена либо путем воздействия на рабочее тело потоком фотонов или электронов, либо каким-нибудь другим способом. 3, Элемент, при помощи которого илн в котором осуществляется достаточно интенсивное взаимодействие излучения е веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля молекул, Это обычно того илк другого вида резонатор. Рас. 1.7. Прппппппальпап спела оптзоссаото аааптоаого гепсЭатора! с — о»более тело; т — »лелеет лолееесл; 3» — елтлое еерсело» 3»вЂ” еессело. ее»осело лооотесео»аее леле»елее 4.

Устройство, обеспечивающее вывод энергии, удовлетворяющее необходимым требованиям и позволяющее осуществить лакализацию энергии и доставку ее к месту назначения. б. Дополнительные элементы, зависящие от того, для какой цели предназначается лазер, Сюда относятся различного рода приборы управления лучом, модуляторы, сканаторы и др. !.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРОВ В настоящее время существует большое количество лазеров, отличающихся друг от друга либо одним, либо несколькими из перечисленных выше элементов. Эти отличия могут быть принципиального характера, когда работа лазеров базируется на различных физических явлениях, как, например, и лазерах и» твердом теле и в лазерах, у которых в качестве рабочего вещества используются газы.

В связи с этим при изучении лазеров появляется настоятельная необходимость их классификации. Основное общепринятое деление всех существующих лазеров на группы производится по агрегатному состоянию рабочего вещества: лазеры на твердом теле, газовые лазеры, жидкостные; в отдельную группу выделяются полупроводниковые лазеры, хотя используемые в квантовой электронике полупроводники, по существу, являются твердыми телами. Объясняется это тем, что физические явления, протекающие при генерации в полупроводниках, существенно отличаются от явлений, протекающих в обычных твердотельных лазерах.

В свою очередь, каждая из перечисленных групп может быть подразделена на более мелкие подгруппы. В твердотельных лазерах рабочим ансамблем атомов являются примесные атомы, введенные в сравнительно неболыпих количествах в осяовную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представляет собой коруид (А1,0„), в кристаллической решетке которого часть атомов А! заменена атомами Сг, или стекло является аморфным телом с примесью неодима.

Рабочими атомами в этом случае являются соответственно атомы хрома или неодима. Однако атомы неодима могут быть введены и в кристаллическое тело„ так, например, в лазере на алюмоиттрневом гранате. Инверсия в твердотельных лазерах достигается воздействием потоков фотонов соответствующей частоты на примесные атомы рабочего тела, т.

е, при помощи оптической накачки, осуществляемой ну~ем использования специальных газоразрядных ламп. Таким образом, твердотельные лазеры могут быть подразделены на две подгруппы: с кристаллической и аморфной матрицами. В газах могут быть использованы энергетические уровни атомов, ионов или молекул, в связи с этим газовые лазеры подразделяются на атомарные, ионные и молекулярные. Рабочие уровни ионов располагаются на энергетической диаграмме выше, чем уровни атомов, а расстояние между ними больше, 56 что приводит к более коротковолновому излучению ионных лазеров по сравнению с лазерами, работающими на атомных переходах. Ввиду того, что вероятность ионных переходов, как правило, больше вероятности атомных переходов, мощность ионных лазеров значительно больше атомарных.

В молекулярных лазерах используются энергетические уровни, соответствующие колебательным и вращательным движениям атомов и молекул. Данные уровни расположены ниже атомных уровней, и интервалы между ними значительно меньше, вследствие этого излучение молекулярных газовых лазеров более длинно- волновое, соответствующее инфракрасной части спектра, а коэффициент полезного действия нх на много больше атомарных и ионных лазеров. Кроме вышеуказанных трех подгрупп газовых лазеров в отдельные группы могут быть выделены лазеры на парах металлов, например Сп, РЬ и т.

д. К первой подгруппе лазеров, работающих на атомных переходах, относятся, например, лазеры с чистыми инертными газами Не, Ые, Аг, Кг„на смеси Не — Ые я др. Типичным представителем второй подгруппы является аргоновый лазер. К третьей подгруппе молекулярных лазеров относятся лазер на СО„парах воды, на смеси СО, + Не + Ы, и др. Рассмотренные подгруппы газовых лазеров могут быть, в свою очередь, подразделены на лазеры с однородным газом и лазеры, в которых к основному рабочему газу прибавляется нрнмесь других газов для осуществления условий создания наибольшей инверсии.

Например, в первой подгруппе лазеры на чистом Ые и лазер ва смеси Ые — Не, в третьей подгруппе — лазер на СО, и лазер на СО, + Не + У, и т. д. В подавляющем большинстве случаев инверсия в газовых лазерах осуществляется при прохождении электрического тока через рабочий газ. Пря электрическом разряде в газе происходят столкновение электронов и ионов с нейтральными частицами газа, а также столкновение нейтральных частиц между собой. В результате этих столкновений при определенных условиях осуществляется инверсия, необходимая для генерации излучения.

В газовых лазерах оптическая накачка используется весьма редко. К таким лазерам относится, например, лазер на парах цезия. Лазеры, рабочим веществом у которых является жидкость, принято подразделять на две подгруппы. В первую подгруппу входит лазеры, рабочим веществом у которых являются растворы неорганических соединений, во вторую — растворы различных органических красителей, К первой подгруппе относятся, например, получившие наиболее широкое развитие лазеры иа растворах солей неоднма в неорганических жидкостях, например, на окснде хлорида селена с четыреххлористым оловом (ВеОС1,: : ВпС1,). Рабочими атомами в этом случае являются атомы иеодима.