Лазер (стр. 4 из 5)

Рис. 8: Интенсивность излучения в зависимости от времени (лазер)

Просветляющийся фильтр можно подобрать так, что он будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Это позволяет, используя некоторые дополнительные устройства, выделять отдельные сверхкороткие импульсы генерации (рис. 9). Энергия каждого из таких импульсов, как правило, невелика, однако её можно значительно увеличить, если усилить первоначальный импульс с помощью второго Л. или нескольких Л., работающих в режиме усиления и отличающихся от Л. в режиме генерации отсутствием зеркал или каких-либо др. отражающих элементов, образующих резонатор. Все возможные причины отражений устраняются выбором соответствующей конструкции. Техника формирования сверхкоротких импульсов и их последующее усиление позволяют получить импульсы генерации длительностью ~ 10^-11 — 10^-12сек и пиковой мощностью ~ 10¹² — 10¹³вт.

Рис. 9

Можно ожидать от Л. на неодимовом стекле дальнейшего сокращения импульсов, по крайней мере в несколько раз. Однако измерение длительности столь малых временных интервалов затруднительно. Мощность ограничивается прочностью самих лазерных материалов и достигает 10¹²—10¹³вт. Это значительно превышает мощности крупнейших современных электростанций. Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов открыло новый класс оптических явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрическое преобразование частоты света, смешение частот и т.п. Все эти явления и их применения составляют содержание нелинейной оптики.

Газовые лазеры. Основным достоинством газов как активной среды Л. является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые Л. представляют наибольший интерес. Вслед за первым газовым Л. на смеси гелия и неона (1960) было создано большое количество разнообразных газовых Л., в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Так, Л. на водороде работает на длине волны l = 0,17 мкм, Л. на ионах Ne³⁺ и Ne²⁺ работают на длине волны l = 0,2358 мкм и l = 0,3324 мкм, а Л. на молекулах воды H₂O — на длинах волн l = 27,9 мкм и l = 118,6 мкм.

Среди Л. непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелий-неоновый Л. Этот Л. представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne. Он генерирует излучение с l = 0,6328 мкм, т. е. в красной области спектра. Типичные размеры трубки: длина несколько десятков см или 1—2 м; диаметр несколько мм. Мощность генерации обычно составляет десятки мвт. Гелий-неоновый Л. может работать также на целом ряде переходов в ближней инфракрасной области, например на длинах волн l = 1,152 мкм и l = 3,39 мкм. В Л. сравнительно просто реализуется предельно малая, т. е. дифракционная расходимость светового пучка.

Наиболее мощным Л. непрерывного действия в видимой области спектра является аргоновый Л. В нём используется электрический разряд в Ar с большой плотностью тока (до нескольких тысяч а/см²). Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра: l = 0,4880 мкм и l = 0,5145 мкм. Мощность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый Л. значительно сложнее гелий-неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным газовым Л. является Л. на CO₂ (l = 1,06 мкм). При непрерывном режиме работы СО₂-Л. достигается мощность в десятки квт.

Создано также большое число импульсных газовых Л., работающих, как правило, в переходном режиме формирования разряда. Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительностью ~ 10^-9 сек) дают сравнительно высокие пиковые мощности ~ 10 квт. СО₃-Л. также может работать в импульсном режиме, обеспечивая мощность 10¹⁰ вт.

Газовые Л. способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели Л. всех др. типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения Л. возникает целый ряд трудностей как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к «качанию» частоты Л., можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора, и физические, сказывающиеся на частоте рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствие теплового расширения и т.п. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей, флуктуации свойств активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например, разрабатываются специальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострикционные явления, пьезоэффект и т.п. В основе этих методов лежит следящая система, которая фиксирует изменение параметров резонаторови обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором, лимитирующим стабильность частоты Л., являются флуктуации давления в рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, т.к. столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий, пропорциональным давлению. Флуктуации давления приводят к флуктуациям частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находиться при возможно более низком давлении. С другой стороны, понижение давления приводит к уменьшению коэффициента усиления среды. Это противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты излучения Л. с помощью поглощающей ячейки, помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию поглощения, перекрывающую линию, соответствующую рабочему переходу активной среды. Например, у гелий-неонового Л. для линии l = 3,39 мкм таким газом является метан CH₄. Оказалось возможным стабилизировать частоту излучения Л. по частоте линии поглощения метана, причём в условиях, когда давление поглощающего газа значительно меньше активного. С помощью поглощающей ячейки достигнута относительная стабильность частоты излучения

~ 10^-13 — 10^-14

Полупроводниковые лазеры. Среди Л. видимого и инфракрасного диапазонов полупроводниковые Л. занимают особое положение по ряду своих характеристик. В полупроводниках удаётся получить очень большие коэффициенты усиления ~ 10² — 10³ см^-1, поэтому размеры полупроводникового Л. могут быть сделаны очень малыми — порядка долей мм. Л. на полупроводниках GaAs, CdS, InAs, InSb, ZnS и др. позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким кпд преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. При температуре жидкого гелия достигается мощность ~ 10 вт, при температуре жидкого азота 4—5 вт. Особенно перспективные инжекционные Л. на гетеропереходах, которые работают в непрерывном режиме при комнатной температуре, создавая мощность ~5×10^-2 вт при кпд до 25%.

В полупроводниковых Л. с возбуждением электронным пучком можно возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекции через р — n-переходы. Пиковая мощность при этом доходит до 1 Мвт при средней мощности ~ 1 вт. Кпд при электронном возбуждении не может превышать 30%.

Общим недостатком всех полупроводниковых Л. является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности. Последнее связано с большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые Л. используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требования к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий кпд. Полупроводниковые Л. превосходят Л. всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной кпд. Важным качеством полупроводниковых Л. является возможность перестройки частоты излучения и управления световым пучком, т. е. модуляция интенсивности света с постоянной времени ~ 10^-11 сек.

Применение лазеров. Одновременно с созданием первых Л. начали развиваться различные направления их применений. Создание Л. ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Т. о., все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. Л. большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия (затухания второго звука, связанные состояния двух ротонов в жидком гелии и т.п.), провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерий. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах с временем релаксации ~ 10^-13 сек. Возможность формировать сверхкороткие импульсы света 10^-11 — 10^-12 сек имеет также очень важное значение для скоростной фотографии и ряда др. методов исследования быстропротекающих процессов. С помощью гелий-неонового Л., обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового Л. (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 10¹² гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,99792456,2 + 1,1 м/сек