3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
3.3.1 Определение лазера
Лазер (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения. Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно. Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (рисунок 3.6).
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3.6 Двухуровневая модель процессов в лазере
В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту
(3.4)
т.е. в свободном пространстве наблюдается волна
(3.5)
где h – постоянная Планка, с – скорость света. При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение квантов излучения (фотонов) и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением. Благодаря этому могут быть получены такие характеристики излучения как узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот. Все три вышеуказанных процесса можно связать между собой уравнением Эйнштейна [8, 13]:
(3.6)
где E(f) – полная энергия поля фотонов на единицу объема материала;
А21 – коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня ЕС на уровень EV;
В21 и В12 – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня ЕС на EV и наоборот; таким образом, произведение В12 E(f) характеризует вероятность поглощения, а произведение В21E(f) – вероятность вынужденного излучения;
N1 и N2 – число возбужденных электронов. Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде спонтанного и стимулированного излучения. Условие вынужденного излучения записывается:
(3.7)
При одинаковых В21 и В12 должны быть созданы условия инверсной населенности N2 > N1, что трактуется как необходимость усиления электронов (возбуждение электронов). Таким образом, для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства
(3.8)
что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о конструкции лазера (рисунок 3.7). Для того, чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью (N2 > N1) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f) > 1). Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими резонансную систему.
Рисунок 3.7 Общая конструкция лазера