За своїм принципом дії сучасний лазер дуже схожий з раніше створеним Мазер. Саме це і стало причиною альтернативного назви лазера, яке звучить як оптичний мазер. Для обох цих пристроїв принцип дії полягає в випромінюванні надлишкової енергії атомів, яка знаходиться в збудженому стані завдяки зовнішньому впливу.
Для того щоб зрозуміти принцип дії лазера, потрібно знати що таке світло. Світло - це особлива, унікальна форма матерії, яка складається з свого роду згустків, що називаються квантами. Будь-яка речовина в цьому світі складається з атомів. У свою чергу атоми речовини здатні поглинати або випромінювати світло, при цьому вони, відповідно, або випускають або поглинають цільні кванти. Довжина хвилі (а відповідно і колір) випромінювання безпосередньо залежить від енергії його кванта. У разі відсутності будь-яких додаткових впливів, атоми речовини не взаємодіють з частками квантів. Атоми є абсолютно однаковими за своєю природою, вони здатні випромінювати або поглинати кванти тільки конкретної довжини хвилі. Найбільш яскравим і наочним прикладом здатна послужити газорозрядна лампа, яка, наприклад, може бути однорідно заповнена неоном. При випромінюванні кванта світла атом постійно витрачає енергію, і, відповідно, поглинаючи квант, атом поглинає зайву енергію (заряджається). Завдяки тому, що енергія переноситься пропорціями, як від атома, так і до нього, атом здатний перебувати всього лише в одному стані. Перше стан - основне, якому властива мінімальна енергія. Так само атом може перебувати в одному з порушених станів. У разі перебування атома в основному стані після поглинання кванта світла атом з основного переходить в збуджений стан. І, відповідно, в разі випромінювання кванта світла, атом переходить в основний стан. Звідси випливає, що чим більше кількість квантів поблизу атомів, тим більшим буде кількість атомів, які здатні здійснити перехід, супроводжуваний зниженням або підвищенням рівня енергії. Одне лише присутність світла здатне змусити атоми брати участь в енергетичних переходах. Це і стало причиною назви процесів, які називаються вимушене поглинання і вимушене випромінювання. У момент, коли відбувається процес вимушеного поглинання, чисельність квантів знижується і, відповідно, знижується рівень інтенсивності світла. Деякі атоми, які потрапляють під освітлення, починають вимушено випромінювати сумарно більшу кількість енергії, в порівнянні з кількістю поглинанні. Завдяки таким властивостям атомів і виникає лазерний ефект. Іншими словами - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання певної множини атомів.
Виникнення лазерного потоку (лазерна генерація) може з'явитися виключно в ту безліч мікрочастинок, в якому кількість атомів, що знаходяться в збудженому стані перевищує чисельність атомів, що знаходяться в основному стані. Таким чином, для генерації лазерного потоку, дане безліч мікрочастинок необхідно попередньо підготувати, накачавши їх енергією, джерелом якої є зовнішні фактори. Така операція з попередньої підготовки носить назву - накачування.
Основна відмінність всіх існуючих типів лазерів полягає саме в методі здійснення накачування. Як накачування здатні послужити:
- Електромагнітні випромінювання, які мають довжину хвилі, відмінну від лазерної;
- Електричний струм;
- Пучок релятивістських (надзвичайно швидких) електронів;
- Розряд електрики;
- Хімічні реакції, які відбуваються в придатній для генерації лазерного потоку середовищі.
Мазер (від англ.Maser) є квантовим генератором, який випромінює когерентні радіохвилі, що мають довжину близько сантиметра. Ця назва є скороченням фрази "посилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання" (англійською звучить какmicrowave amplification stimulated by emission of radiation) і було дано пристрою в 1954 році творцями мазера. Творцями мазера є вчені радянського союзу А.М. Прохоров, Н.Г. Басов, а також американські вчені Ч. Таунс, Д. Гордон і Х. Цейгер. На самому початку, після винаходу квантового генератора вважалося, що це творіння суто людських рук, але трохи пізніше астрономами було виявлено, що деякі з далеких галактик діють як якісь гігантські мазери. У немислимих розмірів газових хмарах, які мають розміри на сотні мільярдів кілометрів (і навіть тисячі світлових років), з'являються сприятливі умови для виникнення генерації, джерелом накачування для якої служить космічне випромінювання. Сьогодні мазери використовуються в різній техніці (зокрема, яка пов'язана з космічними дослідженнями), в найрізноманітніших фізичних дослідженнях, а так само як квантові стандарти частоти.
Газові типи лазерів (вуглекислий СО2 лазер)
Одним з головних і беззаперечних переваг, якими володіють гази в якості активного середовища лазера, є високий рівень оптичної однорідності. Завдяки цьому, для наукових, а також технічних використань, які потребують максимально високому рівні спрямованості і монохроматичности лазерного випромінювання, газові (вуглекислі) лазери володіють найбільшим інтересом. Після того, як був створений перший газовий випромінювач, за основу якого була прийнята суміш таких газів як неон і гелій (1960 рік), до нашого часу було створено ще безліч різних газових випромінювачів. У таких випромінювачів застосовувалися квантові переходи нейтральних атомів, молекул, а також іонів, які мають частотами в широкому спектрі, від ультрафіолетової до вкрай далекою інфрачервоній частині спектра. Найбільшим поширенням серед лазерних випромінювачів безперервної дії видимої і ближньої інфрачервоної області спектра користуються геліо- неонові випромінювачі. Такий тип лазера має вигляд укладеної в оптичний резонатор газорозрядної трубки, яка заповнюється сумішшю газів гелію і неону (Не та Ne).
При випромінюванні газового лазера найбільш виразно проявляються всі характерні лазерним випромінювачам властивості, які полягають у високому рівні спрямованості, а також монохроматичности. Значна перевага полягає в здатності таких випромінювачів працювати в безперервному режимі. Використання сучасних способів збудження, а також преход до більш високого тиску газу здатне різко підвищити потужність газового випромінювача. За допомогою СО2 лазера з'являється унікальна можливість подальшого вивчення, а також освоєння далекого інфрачервоного спектра. Крім цього, газові випромінювачі дозволяють вивчати спектри ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання.
Серед лазерів, які здатні працювати в видимому, а також інфрачервоному діапазоні, напівпровідникові типи лазерів володіють особливим становищем, завдяки цілому ряду наявних параметрів. Напівпровідникові інжекційні типи лазерних випромінювачів мають досить високим рівнем коефіцієнта корисної дії (ККД) перетворення електроенергії в когерентне випромінювання. Рівень ККД в таких лазерах практично дорівнює 100%. Такі лазери можуть функціонувати в безперервному режимі. Крім цього, напівпровідникові лазери мають інші, що мають практичну значимість, особливостями, які полягають в наступному:
- Високий рівень ефективності перетворення електричної енергії в когерентне випромінювання (30-50%);
- Невисока ступінь інерційності, яка пояснює широку область частот прямої модуляції (понад 109 ГГц);
- Гранично проста конструкція випромінювача;
- Існує можливість перенастроювання довжини випромінюваної хвилі;
- Наявність істотної чисельності напівпровідників, які здійснюють безперервне перекривання інтервалу довжин випромінюваних хвиль від 0,32 до 32 мкм.
Не залежно від типу напівпровідникових випромінювачів всі вони володіють одним загальним недоліком, який полягає в порівняно невисокий ступінь спрямованості випромінювання. Це пояснюється малими розмірами таких випромінювачів. Крім цього, загальним недоліком є складність досягнення високого рівня монохроматичности. Це обумовлюється значною шириною спектра спонтанного випромінювання на робочих рекомбінаційних переходах.
Напівпровідникові типи лазерних випромінювачів є найбільш ефективними в тому випадку, коли існують невисокі вимоги до когерентності, а також спрямованості лазерного випромінювання. Однак при цьому потрібні невеликі габарити і найбільш високий рівень ККД. Напівпровідникові типи лазерів перевершують всі інші, відомі на сьогоднішній день, типи лазерів по щільності випромінюваної енергії, а також показником рівня ККД. Найбільш важливою особливістю напівпровідникового лазера є можливість перебудови частоти випромінювання, а також управління світловим потоком.
Рідинний тип лазера
Рідинний лазер - це такий тип лазера, у якого роль активної речовини грає рідина. Такі лазери мають деякі переваги, серед яких можна виділити унікальну можливість реалізації циркуляції рідини для здійснення її охолодження. Завдяки цьому є можливість отримати більше енергії, а також досягти більшого рівня потужності випромінювання в імпульсному і безперервному режимі.
Перші рідинні типи лазерів в якості активної речовини володіли розчином рідкоземельних хелатів. Вони поки не мають застосування малої кількості досягається енергії, а також недостатньо хімічної стійкості хелатів. Дані типи лазерів, які працюють на неорганічних активних рідинах, мають великі імпульсні енергії при істотній середньої потужності. При цьому рідинні типи лазерів здатні генерувати випромінювання з вузьким спектром частот.
Рідинні лазери, що працюють на розчинах органічних барвників, мають досить цікаві особливості. Широкі спектральні лінії люминисценции органічних барвників надають можливість працювати таким лазерів з безперервною перебудовою довжин хвиль випромінювання в досить широкому діапазоні. Завдяки заміні барвників з'являється можливість забезпечення перекриття всій видимій, а також частини інфрачервоної області спектра. Для рідинних типів лазерних випромінювачів на барвниках роль джерела накачування, як правило, виконує твердотільні лазери. Особливості деяких барвників дозволяють застосовувати накачування від спеціальних імпульсних газосвітних ламп, які здатні давати більш короткі інтенсивні спалахи світла, що має білий колір, на відміну від звичайних імпульсних ламп (менше 50 мксек).
На сьогоднішній день існує безліч твердотільних типів лазерів, які здатні працювати як в імпульсному, так і в безперервному режимі випромінювання. Найбільшим поширенням серед імпульсних твердотільних лазерів користуються лазери, що працюють на рубін, а також неодимовому склі. Неодимові лазери здатні працювати на довжині хвилі ℓ = 1,06 мкм. Крім цього, виготовляють порівняно великі, а також вельми оптично однорідні стрижні, які мають довжину до 1 метра з діаметром 4-5 см. Один такий стрижень цілком може дати досить потужний імпульс генерації, які буде мати енергію в 1000 Дж, за час 3 10 сек.
Найбільшою потужністю володіють твердотільні імпульсні лазери на рубіні, а також на неодимовому склі. Повна енергія імпульсу генерації таких лазерів може досягати сотень Дж, при тривалості імпульсу 3-10 секунд. Крім цього, існує можливість здійснення генерації імпульсів з досить великою частотою повторення (до декількох КГц).
Найбільш яскравим прикладом твердотільних лазерів безперервної дії є лазери, що працюють на флюорите кальцію СаF2 з домішкою диспрозия Dy, а також лазери, що працюють на иттриево-алюмінієвому гранаті з домішками різних рідкоземельних атомів. Як правило, основна маса таких лазерних випромінювачів здатна працювати в області довжин віл від 1 до 3 мкм. Як правило, значення потужності генерації твердотільного лазера в безперервному режимі приблизно дорівнює 1 Вт або частка Вт, а для лазерного випромінювача на иттриево-алюмінієвому гранаті приблизно десятки Ватт. У тому випадку якщо не створювати ніяких спеціальних умов, спектр генерації твердотільного лазера є порівняно широким. Пояснюється це тим, що, як правило, здійснюється багатомодовий режим генерації. Але при введенні в оптичний резонатор селектірующего елемента з'являється можливість досягти одномодової генерації. Як правило, це тягне істотне зниження генерується. На сьогоднішній день процес вирощування великих монокристалів або процес варіння великих зразків однорідного, а також прозорого скла пов'язаний з певними труднощами.
Tweet