25 Лекция 12

12. Физико-химические и физические основы лазерной и электронно-лучевой обработки структур

12.1. Лазерная обработка Принцип действия лазера

Лазер– это оптический квантовый генератор, источник когерентного поляризованного электромагнитного излучения оптического диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов и молекул. Слово «лазер» (LASER) – аббревиатура слов английского выражения «LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation» - усиление света вынужденным излучением. Первый лазер создан в 1960 г. (Т.Мейман, США) на кристалле рубина. Выдающийся вклад в развитие лазерной физики внесли российские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров совместно с американским ученым Ч.Таунсом, за что все они были отмечены Нобелевской премией.

Оптический квантовый генератор является автоколебательной системой с положительной обратной связью, генерация электромагнитных колебаний в которой осуществляется за счет когерентного усиления в результате индуцированных квантовых переходов.

Необходимая для генерации обратная связь осуществляется в лазере за счет помещения рабочей среды в объемный резонатор, в котором возможно возбуждение согласованной со свойствами среды стоячей электромагнитной волны. Схема лазера, состоящего из двух необходимых элементов – активной среды и резонатора, представлена на рис. 12.1. Обладающая инверсной заселенностью рабочая среда 1обеспечивает возможность усиления колебаний за счет процессов вынужденного излучения. Резонатор, состоящий условно из одного плоского непрозрачного зеркала2и параллельного ему, частично пропускающего резонансное излучение плоского зеркала3с прозрачностьюξ, обеспечивает раскачку колебаний с частотами в пределах ширины линии усиления активной среды и вывод части возбуждаемой электромагнитной волны наружу. Свойства заполняющей резонатор активной среды длинойL_a описываются параметрами:К₀– коэффициент усиления;I_s– интенсивность насыщения;L_p– расстояние между зеркалами;χ– общие внутрирезонаторные потери.

Для создания и поддержания в активной среде инверсии населенностей применяются специальные методы, зависящие от структуры активной среды. Так, в лазерах на кристалле рубина инверсия населенностей осуществляется посредством оптической накачки по так называемой трехуровневой схеме (рис.12.2). В энергетическом спектре атомов Crв кристалле рубина наряду с узкими уровнямиЕ₁(основное состояние) иЕ₂(возбужденное метастабильное состояние) имеется расположенная выше уровня Е₂сравнительно широкая полоса энергетических состоянийЕ₃(полоса поглощения), играющая роль третьего уровня. Под действием оптической накачки атомыCrпереходят из основного состоянияЕ₁в состояниеЕ₃. Через очень короткий промежуток времени (~10^-8с) атомы безызлучательно переходят в состояниеЕ₂.

Рис. 12.1. Принципиальная схема квантового генератора: 1 – рабочая среда; 2 – непрозрачное зеркало; 3 – полупрозрачное зеркало

Время жизни атомов в метастабильном состоянии Е₂существенно выше, чем в состоянииЕ₃(~10^-3c). При достаточно быстром переводе атомов из основного состояния в состояниеЕ₃(при высокой мощности источника накачки) плотность числа частиц на уровнеЕ₂окажется выше, чем на уровнеЕ₁, т.е. возникает инверсия населенностей уровнейЕ₂иЕ₁, при переходе между которыми осуществляется лазерная генерация. Источником возникновения генерации в лазере является спонтанное излучение возбужденных активных частиц. Спонтанно испущенные кванты, проходя через активную среду, вызывают процессы вынужденного испускания, приводящие к когерентному усилению соответствующих этим квантам электромагнитных волн. При ограниченных поперечных размерах среды и зеркал резонатора максимально усиливаются кванты, распространяющиеся вдоль оптической оси. В этом случае, если усиление электромагнитной волны за один полный проход резонаторапревышает ее ослабление за счет выхода через полупрозрачное зеркалоξи внутрирезонаторных потерьχ, то в резонаторе возникают и стационарно поддерживаются колебания электромагнитного поля.

Рис. 12.2. Возникновение генерации в трехуровневой системе

Коэффициент усиления среды К_п,при котором этот процесс происходит, называется пороговым и определяется соотношением

(12.1)

являющимся математическим выражением условия восполнения потерь излучения за счет вынужденных переходов. Значение порогового коэффициента усиления с учетом того, что, как правило, имеет вид

. (12.2)

Пороговый коэффициент усиления определяет условия стационарной генерации в конкретной ситуации и является характеристикой резонатора.

Таким образом, если коэффициент усиления активной среды К₀превышает пороговый коэффициент усиления резонатораК_п, в лазере возникает стационарная генерация и он начинает излучать электромагнитные колебания. Интенсивность излучения на выходе лазера определяется плотностью фотоновn_pв резонаторе, движущихся в сторону полупрозрачного зеркала, и прозрачностью выходного зеркала и составляет

(12.3)

Данное выражение с учетом параметров лазера можно записать в следующем виде:

. (12.4)

Как видно из (12.4), при малых ξ (ξ << χ) интенсивность выходного излучения растет с ростом прозрачности выходного зеркала резонатора линейно, а при больших ξ (ξ >> χ) – падает с ростом ξ. Таким образом, существует оптимальная с точки зрения выходной мощности прозрачность резонатора ξ_опт. В случае малого усиления света оптимальная прозрачность выходного зеркала резонатора составит.

Лазеры могут излучать в различных режимах: непрерывно в течение длительного времени; однократно в виде одиночной вспышки; в импульсном режиме с разными частотами повторения импульсов.

Способы создания инверсной населенности активных частиц зависят не только от конкретной схемы уровней и свойств этих частиц, но и от свойств других компонент активной среды, называемой рабочим телом лазера. В качестве рабочих тел технологических лазеров широко используют газовые смеси, а также различные конденсированные среды: кристаллы, стекла, полупроводники и жидкости. Наибольшее распространение в лазерных системах получили оптический, газоразрядный, газодинамический и химический методы накачки.