È difficile ai nostri tempi trovare una persona che non ascolti mai la parola "laser", tuttavia, pochissimi capiscono chiaramente di cosa si tratta.

Mezzo secolo dall'invenzione dei laser tipi diversi ha trovato applicazione in un’ampia gamma di settori, dalla medicina alla tecnologia digitale. Allora, cos'è un laser, qual è il principio del suo funzionamento e a cosa serve?

Cos'è un laser?

La possibilità dell'esistenza dei laser fu prevista da Albert Einstein, che nel 1917 pubblicò un articolo in cui parlava della possibilità che gli elettroni emettano quanti di luce di una certa lunghezza. Questo fenomeno venne chiamato emissione stimolata, ma per molto tempo fu considerato irrealizzabile dal punto di vista tecnico.

Tuttavia, con lo sviluppo delle capacità tecniche e tecnologiche, la creazione di un laser è diventata una questione di tempo. Nel 1954 ricevettero gli scienziati sovietici N. Basov e A. Prokhorov premio Nobel per lo sviluppo del maser, il primo generatore di microonde alimentato ad ammoniaca. E nel 1960, l'americano T. Maiman produsse il primo generatore quantistico di raggi ottici, che chiamò laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Il dispositivo converte l'energia in radiazione ottica di direzione stretta, ad es. fascio di luce, un flusso di quanti di luce (fotoni) ad alta concentrazione.

Il principio di funzionamento del laser

Il fenomeno su cui si basa il funzionamento del laser è detto radiazione stimolata, o indotta, del mezzo. Gli atomi di una determinata sostanza possono emettere fotoni sotto l'azione di altri fotoni, mentre l'energia del fotone agente deve essere uguale alla differenza tra i livelli energetici dell'atomo prima e dopo la radiazione.

Il fotone emesso è coerente con quello che ha causato l’emissione, cioè esattamente come il primo fotone. Di conseguenza, un debole flusso luminoso nel mezzo viene amplificato, e non in modo casuale, ma in una determinata direzione. Si forma un raggio di radiazione stimolata, chiamato laser.

Classificazione dei laser

Studiando la natura e le proprietà dei laser, furono scoperti vari tipi di questi raggi. A seconda dello stato della sostanza iniziale, i laser possono essere:

• gas;
• liquido;
• stato solido;
• sugli elettroni liberi.

Attualmente sono stati sviluppati diversi metodi per ottenere un raggio laser:

• con l'aiuto di una luce elettrica o di una scarica ad arco in un mezzo gassoso - scarica di gas;
• espandendo il gas caldo e creando inversioni di popolazione - dinamica del gas;
• facendo passare la corrente attraverso un semiconduttore con eccitazione del mezzo - diodo o iniezione;
• pompando otticamente il mezzo con una lampada flash, LED, un altro laser, ecc.;
• mediante pompaggio con fascio di elettroni del mezzo;
• pompaggio nucleare al ricevimento di radiazioni da un reattore nucleare;
• con l'aiuto di speciali reazioni chimiche– laser chimici.

Tutti hanno le loro caratteristiche e differenze, grazie alle quali vengono utilizzati vari campi industria.

Uso pratico dei laser

Ad oggi, i laser tipi diversi sono utilizzati in decine di settori, medicina, tecnologie IT e altri campi di attività. Sono usati per:

• taglio e saldatura di metalli, plastica, altri materiali;
• disegnare immagini, iscrizioni e marcare la superficie dei prodotti;
• perforazione di fori ultrasottili, lavorazione di precisione di parti cristalline di semiconduttori;
• formazione di rivestimenti del prodotto mediante spruzzatura, affioramento, legatura superficiale, ecc.;
• trasmissione di pacchetti di informazioni tramite fibra di vetro;
• esecuzione di operazioni chirurgiche e altri effetti terapeutici;
• procedure cosmetiche per il ringiovanimento della pelle, la rimozione di formazioni difettose, ecc.;
• targeting vari tipi armi, dalle armi leggere alle armi missilistiche;
• creazione e utilizzo di metodi olografici;
• applicazione in vari progetti di ricerca;
• misurazione di distanze, coordinate, densità dei mezzi di lavoro, portate e molti altri parametri;
• lancio di reazioni chimiche per la realizzazione di vari processi tecnologici.

Ci sono molte altre aree in cui i laser sono già utilizzati o troveranno applicazione in un futuro molto prossimo.

Tutti i materiali per i quali è possibile fornire l'inversione di popolazione possono essere utilizzati come mezzo laser. Ciò è possibile con i seguenti materiali:

a) atomi liberi, ioni, molecole, ioni di molecole in gas o vapori;

b) molecole di colorante disciolte nei liquidi;

c) atomi, ioni incorporati in un corpo solido;

d) semiconduttori drogati;

e) elettroni liberi.

Il numero di mezzi in grado di generare radiazione laser e il numero di transizioni laser è molto elevato. Solo nell’elemento neon si osservano circa 200 diverse transizioni laser. In base al tipo di mezzo laser attivo si distinguono i laser a gas, liquidi, a semiconduttore e a stato solido. Come curiosità, va notato che il respiro umano, costituito da anidride carbonica, azoto e vapore acqueo, è un mezzo attivo adatto per un laser a CO 2 debole, e alcune varietà di gin hanno già generato radiazione laser, poiché contengono una quantità sufficiente quantità di chinino con fluorescenza blu.

Le linee di generazione del laser sono note dalla regione ultravioletta dello spettro (100 nm) alle lunghezze d'onda millimetriche nella gamma del lontano infrarosso. I laser passano dolcemente ai maser. Nel campo dei laser nel campo dei raggi X si stanno svolgendo ricerche approfondite (fig. 16), ma solo due o tre dozzine di tipi di laser hanno acquisito un significato pratico. I laser a CO 2 , i laser a ioni di argon e kripton, i laser CW e Nd:YAG pulsati, i laser CW e a coloranti pulsati, i laser He-Ne e i laser GaAs hanno ora trovato la più ampia applicazione medica. Anche i laser ad eccimeri, i laser Nd:YAG a raddoppio della frequenza, i laser Er:YAG e i laser a vapori metallici sono sempre più utilizzati in medicina.

Riso. 16. Tipi di laser più comunemente usati in medicina.

Inoltre, i mezzi attivi laser possono essere distinti dal fatto che formino linee laser discrete, ad es. solo in una gamma specifica molto ristretta di lunghezze d'onda, o irradiano continuamente su una vasta gamma di lunghezze d'onda. Gli atomi e gli ioni liberi hanno, a causa dei loro livelli energetici ben definiti, linee laser discrete. Molti laser a stato solido emettono anche su linee discrete (laser a rubino, laser Nd:YAG). Tuttavia sono stati sviluppati anche laser a stato solido (laser a centro colore, laser ad alessandrite, laser a diamante), le cui lunghezze d'onda di radiazione possono variare continuamente su un'ampia regione spettrale. Ciò vale in particolare per i laser a coloranti, nei quali questa tecnica ha registrato i maggiori progressi. A causa della struttura a bande dei livelli energetici dei semiconduttori, anche i laser a semiconduttore non hanno linee di generazione laser chiare e distinte.

L'inversione della popolazione nei laser viene creata in diversi modi. Molto spesso a questo scopo vengono utilizzati l'irradiazione luminosa (pompaggio ottico), la scarica elettrica, la corrente elettrica e le reazioni chimiche.

Per passare dalla modalità di amplificazione alla modalità di generazione della luce, il laser, come in ogni generatore, utilizza il feedback. Il feedback nel laser viene effettuato utilizzando un risonatore ottico, che nel caso più semplice è una coppia di specchi paralleli.

Il diagramma schematico del laser è mostrato in fig. 6. Contiene un elemento attivo, un risonatore e una sorgente di pompa.

Il laser funziona come segue. Innanzitutto, una fonte di pompaggio (ad esempio una potente lampada flash), che agisce sulla sostanza di lavoro (elemento attivo) del laser, crea in esso un'inversione di popolazione. Quindi il mezzo invertito inizia a emettere spontaneamente quanti di luce. Sotto l'azione dell'emissione spontanea inizia il processo di emissione stimolata della luce. A causa dell'inversione della popolazione, questo processo ha un carattere simile a una valanga e porta ad un'amplificazione esponenziale della luce. I flussi di luce che viaggiano in direzioni laterali lasciano rapidamente l'elemento attivo senza avere il tempo di guadagnare energia significativa. Allo stesso tempo, un'onda luminosa che si propaga lungo l'asse del risonatore attraversa ripetutamente l'elemento attivo, guadagnando continuamente energia. Grazie alla trasmissione parziale della luce da parte di uno degli specchi del risonatore, la radiazione viene emessa verso l'esterno formando un raggio laser.

Fig.6. Diagramma schematico del laser. 1 - elemento attivo; 2- sistema di pompaggio;

3- risonatore ottico; 4 - radiazione generata.

§5. Il dispositivo e il funzionamento di un laser elio-neon

Fig.7. Rappresentazione schematica di un laser elio-neon.

1). Il laser è costituito da un tubo di scarico del gas a T con una lunghezza da alcune decine di cm a 1,5-2 me un diametro interno di 7-10 mm. Il tubo è riempito con una miscela di elio (pressione ~1 mmHg) e neon (pressione ~0,1 mmHg). Le estremità del tubo sono chiuse con piastre di vetro o quarzo piano parallele P 1 e P 2 installate con un angolo di Brewster rispetto al suo asse. Ciò crea una polarizzazione lineare della radiazione laser con un vettore elettrico parallelo al piano di incidenza. Gli specchi S 1 e S 2 , tra i quali è posto il tubo, sono solitamente realizzati sferici con rivestimenti dielettrici multistrato. Hanno un'elevata riflettività e praticamente non assorbono la luce. La trasmittanza di uno specchio, attraverso il quale esce prevalentemente la radiazione laser, è solitamente del 2%, mentre quella di un altro specchio è inferiore all'1%. Tra gli elettrodi del tubo viene applicata una tensione costante di 1-2 kV. Il catodo K del tubo può essere freddo, ma per aumentare la corrente di scarica vengono utilizzati anche tubi con anodo cilindrico cavo, il cui catodo viene riscaldato da una sorgente di corrente a bassa tensione. La corrente di scarica nel tubo è di diverse decine di milliampere. Il laser genera luce rossa con una lunghezza d'onda di =632,8 nm e può anche generare radiazione infrarossa con lunghezze d'onda di 1,15 e 3,39 µm (vedere Fig. 2). Ma allora sono necessarie finestre frontali trasparenti alla luce infrarossa e specchi con elevati coefficienti di riflessione nella regione dell'infrarosso.

2). Nei laser, l'emissione stimolata viene utilizzata per generare onde luminose coerenti. L'idea fu espressa per la prima volta nel 1957 da A.M. Prokhorov, N.G. Basov e, indipendentemente da loro, Ch. Towns. Per trasformare la sostanza attiva del laser in un generatore di vibrazioni luminose è necessario implementare il feedback. Ciò significa che parte della luce emessa deve sempre ritornare nella zona della sostanza attiva e provocare l'emissione stimolata di sempre nuovi atomi. Per fare ciò, la sostanza attiva viene posizionata tra due specchi S 1 e S 2 (vedi Fig. 7), che sono elementi di feedback. Un raggio di luce, sottoposto a molteplici riflessioni dagli specchi S 1 e S 2, attraverserà più volte la sostanza attiva, pur venendo amplificato a seguito di transizioni forzate da un livello energetico più alto " 3 a un livello inferiore  " 1 . Ciò si traduce in un risonatore aperto, in cui gli specchi forniscono passaggi multipli (e quindi amplificazione) del flusso luminoso nel mezzo attivo. In un laser reale, per poter essere utilizzata, parte della luce deve essere emessa dal mezzo attivo verso l'esterno. A questo scopo uno degli specchi, ad esempio S 2 , viene reso traslucido.

Un tale risonatore non solo amplificherà la luce, ma la collimerà e la monocromizzerà. Per semplicità, assumiamo innanzitutto che gli specchi S 1 e S 2 siano ideali. Quindi i raggi, paralleli all'asse del cilindro, attraverseranno la sostanza attiva avanti e indietro un numero illimitato di volte. Tuttavia, i raggi obliqui finiranno per colpire la parete laterale del cilindro, dove si dissiperanno o sfuggiranno. È quindi chiaro che i raggi che si propagano parallelamente all'asse del cilindro verranno amplificati al massimo. Questo spiega la collimazione dei raggi. Naturalmente non è possibile ottenere raggi strettamente paralleli. Ciò è impedito dalla diffrazione della luce. L'angolo di divergenza dei raggi non può, in linea di principio, essere inferiore al limite di diffrazione  D, Dove D- larghezza della trave. Tuttavia nei migliori laser a gas questo limite viene praticamente raggiunto.

Spieghiamo ora come avviene la monocromatazione della luce. Permettere Zè la lunghezza del percorso ottico tra gli specchi. Se 2 Z= M , cioè sulla lunghezza Z si inserisce un numero intero di semionde m, quindi l'onda luminosa, lasciando S 1, dopo essere passata avanti e indietro tornerà a S 1 nella stessa fase. Tale onda si intensificherà durante il secondo e tutti i successivi passaggi attraverso la sostanza attiva nelle direzioni avanti e indietro. lunghezza d'onda più vicina  , per il quale dovrebbe verificarsi la stessa amplificazione, può essere trovato dalla condizione 2 Z=(M 1)( ). Quindi,  =  / M, questo è  , come previsto, coincide con la regione spettrale degli interferometri di Fabry-Perot. Consideriamo ora che i livelli energetici " 3 e  " 1 e le linee spettrali che appaiono durante le transizioni tra loro non sono infinitamente sottili, ma hanno una larghezza finita. Supponiamo che la larghezza della linea spettrale emessa dagli atomi sia inferiore alla regione dispersa del dispositivo. Quindi, tra tutte le lunghezze d'onda emesse dagli atomi, la condizione 2 Z= M può soddisfare solo una lunghezza d'onda  . Tale ondata si intensificherà il più possibile. Ciò porta ad un restringimento delle linee spettrali generate dal laser, cioè alla monocromatazione della luce.

Le principali proprietà di un raggio di luce laser:

monocromaticità;

coerenza spaziale e temporale;

alta intensità;

divergenza degli anabbaglianti.

Grazie alla sua elevata coerenza, il laser elio-neon funge da eccellente fonte di radiazione monocromatica continua per lo studio di tutti i tipi di fenomeni di interferenza e diffrazione, la cui implementazione con sorgenti luminose convenzionali richiede l'uso di attrezzature speciali.

Consideriamo innanzitutto un laser a quattro livelli con, per semplicità, una sola banda di assorbimento della pompa (banda 3 in Fig. 5.1). Tuttavia, l'analisi successiva rimarrà invariata anche se si tratta di più di una banda (o livello) di assorbimento della pompa, a patto che il rilassamento da queste bande al livello 2 del laser superiore sia molto veloce. Denota

le popolazioni dei quattro livelli 0, 1, 2 e 3, rispettivamente, attraverso. Assumiamo che il laser generi solo in una modalità di risonatore. Sia il numero totale di fotoni nel risonatore. Supponendo che le transizioni tra i livelli 3 e 2 e i livelli 1 e 0 siano veloci, possiamo mettere . Pertanto, abbiamo le seguenti equazioni di tasso:

Nell'equazione (5.1a), la quantità è il numero totale di atomi (o molecole) attivi. Nell'equazione (5.16), il termine tiene conto del pompaggio [vedi equazione (1.10)]. Le espressioni esplicite per la velocità di pompaggio sia per il pompaggio ottico che per quello elettrico sono già state ottenute nel Cap. 3. Nella stessa equazione il termine corrisponde ad emissione stimolata. La velocità di emissione stimolata come mostrato nel Cap. 2 è infatti proporzionale al quadrato del campo elettrico dell'onda elettromagnetica ed è quindi proporzionale, pertanto il coefficiente B può essere considerato come la velocità di emissione stimolata per fotone nel modo. La quantità è la durata del livello laser superiore e, in caso generaleè determinato dall'espressione (2.123). Nell'equazione (5.1 c), il termine corrisponde alla velocità di variazione del numero di fotoni dovuta all'emissione stimolata. Infatti, come abbiamo già visto, il termine nell'equazione (5.16) è il tasso di diminuzione della popolazione dovuto alle emissioni stimolate. Poiché ogni atto di emissione stimolata porta alla comparsa di un fotone, la velocità di aumento del numero di fotoni dovrebbe essere uguale a dov'è il volume occupato dal modo all'interno del mezzo attivo (la definizione esatta del volume del modo è riportata di seguito ). Infine, il termine [dove è la vita media del fotone (vedi Sezione 4.3)] tiene conto della diminuzione del numero di fotoni dovuta alle perdite nel risonatore.

Riso. 5.1. Schema dei livelli energetici di un laser a quattro livelli.

Una definizione rigorosa del volume modale richiede una discussione dettagliata, che è riportata nell'Appendice B. Di conseguenza, abbiamo la seguente definizione

dove è la distribuzione del campo elettrico all'interno del risonatore, E è il valore massimo di questo campo e l'integrazione viene eseguita sul volume occupato dal mezzo attivo. Se si considera un risonatore con due specchi sferici, allora il rapporto è uguale alla parte reale dell'espressione (4.95). È opportuno citare come esempio un risonatore simmetrico costituito da due specchi i cui raggi di curvatura sono molto maggiori della lunghezza del risonatore. Quindi la dimensione del punto modale sarà approssimativamente costante lungo l'intera lunghezza del risonatore e uguale al valore al centro del risonatore. Allo stesso modo, il raggio di curvatura delle superfici equifase sarà sufficientemente ampio e i fronti d’onda potranno considerarsi piatti. Quindi dall'espressione (4.95) per la modalità otteniamo

qui impostiamo le espressioni From (5.2) e (5.3) che abbiamo

dove è la lunghezza del mezzo attivo. Nel derivare questa espressione, abbiamo tenuto conto del fatto che è una funzione che varia lentamente rispetto a così possiamo porre Quindi, la comparsa di una quadrupla nel denominatore dell'espressione (5.4) è il risultato delle due circostanze seguenti: 1) la presenza del fattore 1/2 è dovuta al fatto che il modo ha carattere di onda stazionaria, quindi in accordo con il ragionamento sopra esposto; 2) Un altro fattore 1/2 appare dovuto al fatto che questa è la dimensione dello spot per l'ampiezza del campo E, mentre la dimensione dello spot per l'intensità del campo (cioè, ovviamente, è molte volte più piccola.

Prima di continuare la nostra considerazione, è opportuno notare che l'espressione (5.1c) trascura il termine che tiene conto della radiazione spontanea. Infatti, come notato nel Cap. 1, la generazione avviene per emissione spontanea; pertanto, ci si dovrebbe aspettare che le equazioni (5.1) non forniscano una descrizione corretta dell'inizio della generazione. Infatti, se nell'equazione (5.1 c) mettiamo al momento, otteniamo , quindi la generazione non può avvenire. Per tenere conto dell'emissione spontanea si potrebbe riprovare, in base a condizione semplice equilibrio, iniziare la considerazione con un termine che nell'equazione (5.16) è incluso nel termine. In questo caso, può sembrare che

che nell'equazione (5.1c) il termine, che tiene conto della radiazione spontanea, dovrebbe avere la seguente forma: Tuttavia ciò non è vero. Infatti, come mostrato nella Sez. 2.4.3 [vedi, in particolare, l'espressione (2.115)], l'emissione spontanea è distribuita in un certo intervallo di frequenza e la forma della sua linea è descritta dalla funzione Tuttavia, nell'equazione (5.1 c), il termine tenendo conto della spontanea l'emissione dovrebbe includere solo quella frazione di radiazione che contribuisce alla modalità considerata. L'espressione corretta per questo termine può essere derivata solo da una considerazione quantomeccanica del campo elettromagnetico del modo risonatore. Il risultato così ottenuto è molto semplice ed istruttivo. Nel caso in cui si tenga conto della radiazione spontanea, l'equazione (5.1 c) viene trasformata nella forma

Sembra che abbiamo aggiunto un "fotone in più" al termine corrispondente all'emissione stimolata. Tuttavia, per ragioni di semplicità, nel seguito non introdurremo tale termine aggiuntivo relativo all'emissione spontanea, ma assumeremo invece che all'istante iniziale nel risonatore sia già presente un certo numero limitato di fotoni. l'introduzione di questo piccolo numero di fotoni, necessario solo per il verificarsi della generazione, infatti, non pregiudica in alcun modo la considerazione successiva.

Consideriamo ora la derivazione delle espressioni esplicite per la quantità B, che entrano nelle equazioni (5.16) e (5.1 c). Un'espressione rigorosa per questa quantità è nuovamente derivata nell'Appendice B. Per la maggior parte degli scopi pratici è adatta un'espressione approssimativa, che può essere ottenuta da semplici considerazioni. Per questo consideriamo un risonatore di lunghezza in cui è presente un mezzo attivo di lunghezza con indice di rifrazione e possiamo supporre che il modo di risonatore sia formato dalla sovrapposizione di due onde che si propagano in direzioni opposte. Sia I l'intensità di una di queste onde. Secondo l'espressione (1.7), quando un'onda passa attraverso uno strato di un mezzo attivo, la sua intensità cambia del valore dove a è la sezione trasversale di transizione alla frequenza della modalità di risonatore considerata. Determiniamo ora le seguenti quantità: e sono i coefficienti di trasmissione dei due specchi risonatori in termini di potenza; - i corrispondenti fattori di perdita relativi sugli specchi; 3) Ã, - coefficiente relativo delle perdite interne per passaggio. Poi il cambio di intensità per un passaggio completo del risonatore

Qui e sono le perdite logaritmiche per passaggio dovute alla trasmissione degli specchi, e sono le perdite logaritmiche interne. Per brevità, chiameremo y, e perdite di trasmissione, e - perdite interne. Come risulterà chiaro in seguito, a causa della natura esponenziale dell'amplificazione laser, la registrazione con perdite logaritmiche è molto più conveniente per rappresentare le perdite nei laser. Tuttavia va notato che, sebbene per valori di trasmissione piccoli, ciò non è vero per valori di trasmissione grandi. Facciamo un esempio: se mettiamo allora otteniamo cioè, mentre per abbiamo è da notare inoltre che utilizzando le espressioni (5.7) è possibile determinare la perdita totale per passaggio:

Dopo aver determinato le perdite logaritmiche, sostituiamo le espressioni (5.7) e (5.8) nella (5.6). Introdurre una condizione aggiuntiva

la funzione esponenziale nella (5.6) può essere espansa in una serie di potenze e otteniamo

Dividiamo entrambe le parti di questa espressione per l'intervallo di tempo durante il quale l'onda luminosa compie un passaggio completo del risonatore,

cioè, dal valore dove è determinato dall'espressione

Usando l'approssimazione, otteniamo

Poiché il numero di fotoni nel risonatore è proporzionale all'intensità, l'equazione (5.12) può essere confrontata con (5.1c). In questo caso otteniamo le seguenti espressioni:

Chiameremo il valore V il volume effettivo della modalità risonatore. Si noti che la formula (5.136) generalizza quanto ottenuto nella Sez. 4.3 espressione per la vita di un fotone. Inoltre l'espressione (5.14) per il volume del risonatore è valida solo approssimativamente. Infatti, l'Appendice B mostra che nella (5.13a) dovrebbe essere utilizzata un'espressione più rigorosa per V, vale a dire

qui il primo integrale viene preso sul volume del mezzo attivo e il secondo sul volume rimanente del risonatore. Notiamo, tuttavia, che per un risonatore simmetrico con specchi di ampio raggio di curvatura, entrambe le espressioni (5.14) e (5.15) danno

Finora, la nostra considerazione è stata diretta alla giustificazione dell'equazione (5.1c) e alla derivazione di espressioni esplicite per B e in termini di parametri laser misurati. Va tuttavia notato che abbiamo indicato anche i limiti di applicabilità dell'equazione (5.1c). Infatti, nel derivare l'equazione (5.12), abbiamo dovuto usare l'approssimazione (5.9), secondo la quale la differenza tra guadagno e perdita è piccola. Per un laser cw, questa condizione è sempre soddisfatta, poiché in un processo a stato stazionario (vedere Sezione 5.3.1). Ma per un laser pulsato, la condizione (5.9) sarà valida solo quando il laser opera con un piccolo eccesso oltre la soglia. Se la condizione (5.9) non è soddisfatta, allora le equazioni

Test

LASER BASATI SU MATERIA CONDENSA

introduzione

2.2. laser a rubino

3.2. laser al neodimio

3.7. Laser a fibra

5. Laser a semiconduttore

5.1. Principio operativo

5.2. Laser DHS

5.3. Laser DFB e VRPI

BIBLIOGRAFIA

introduzione

I laser basati su sostanze allo stato condensato includono laser il cui mezzo attivo viene creato:

1) dentro solidi ah principalmente in cristalli e vetri dielettrici, dove le particelle attive sono atomi ionizzati di attinidi, terre rare e altri elementi di transizione che legano il cristallo, e anche in cristalli con proprietà semiconduttrici,

2) nei liquidi contenenti particelle attive molecole di coloranti organici.

In questi mezzi si forma la radiazione laser stimolataradiativo indottotransizioni (vedere Sezione 1) tra i livelli energetici degli ioni attivatori o i termini delle molecole. Nelle strutture dei semiconduttori, l'emissione stimolata avviene come risultato della ricombinazione di elettroni e lacune liberi. A differenza dei laser a gas (vedi Sezione 4), l'inversione di popolazione nei laser a stato solido e liquido viene sempre creata in transizioni vicine allo stato energetico fondamentale della particella attiva.

Poiché i cristalli dielettrici non conducono corrente elettrica, per loro, così come per i mezzi liquidi, il cosiddetto.pompaggio ottico– pompaggio della transizione laser mediante radiazione ottica (luce) proveniente da una sorgente ausiliaria.

Nei laser a semiconduttore viene utilizzato più spesso il pompaggio di corrente elettrica ( iniezione corrente) che scorre attraverso il semiconduttore nella direzione in avanti, meno spesso altri tipi di pompaggio: pompaggio ottico o pompaggio mediante bombardamento elettronico.

1. Caratteristiche specifiche del pompaggio ottico del mezzo attivo del laser

Una caratteristica importante di OH è la sua selettività , vale a dire: selezionando la lunghezza d'onda della radiazione OH, è possibile eccitare selettivamente lo stato quantico desiderato delle particelle attive. Troviamo le condizioni che garantiscono la massima efficienza del processo di eccitazione delle particelle attive dovuto al pompaggio ottico (OH), a seguito del quale la particella attiva sperimenta una transizione quantistica dallo stato energetico io allo stato eccitato più elevato della scala energetica K . Per fare ciò, utilizziamo l'espressione per la potenza di radiazione della sorgente OH assorbita dalle particelle attive del mezzo irradiato (vedi Sezione 1.9)

. (1)

L'equazione (1) include la dipendenza dalla frequenza della densità di energia spettrale della radiazione della sorgente OH e la funzione della forma della linea di assorbimento del mezzo, cioè la sua dipendenza dalla frequenza (fattore di forma).

Ovviamente la velocità di assorbimento e la quantità di potenza assorbita saranno massime quando:

1) concentrazione di particelle nello stato io sarà il più grande, cioè L'OH è efficace con un'alta densità di particelle attive, vale a dire da tutta la varietà di mezzi per mezzi che si trovano in uno stato condensato (solidi e liquidi);

2) Nello stato TDS, la distribuzione delle particelle negli stati con significati diversi l'energia interna (potenziale) è descritta dalla formula di Boltzmann, vale a dire: lo stato energetico fondamentale (più basso) della particella e dell'insieme nel suo insieme ha la popolazione massima. Ne consegue che lo Stato io dovrebbe essere lo stato energetico principale della particella;

3) per l'assorbimento più completo dell'energia della sorgente OH (il più grande Δ Pik ) è auspicabile avere un ambiente con valore più alto coefficiente di assorbimento alla transizione quantistica: (vedi f-lu (1.35)), e poiché è proporzionale al coefficiente di Einstein B k i , a B ki A ki (vedi f-lu (1.11, b)), è auspicabile che la transizione assorbente sia “permessa” e “risonante”;

4) È auspicabile che l'ampiezza dello spettro di radiazione della sorgente della pompa non sia maggiore dell'ampiezza del contorno di assorbimento delle particelle attive. Quando pompato dall'emissione spontanea di lampade, questo, di regola, non può essere raggiunto. Ideale da questo punto di vista è “ coerente ” pompaggio mediante radiazione laser monocromatica, in cui l'intera linea (l'intero spettro) della radiazione OH “cade” nel contorno di assorbimento. Tale regime di assorbimento è stato da noi considerato nella Sezione 1.9;

5) è ovvio che l'efficienza dell'OH sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la frazione di radiazione assorbita dalle particelle attive attraverso una transizione quantistica con pompaggio del livello desiderato. Quindi, se il mezzo attivo è un cristallo (matrice) drogato con particelle attive, allora la matrice dovrebbe essere scelta in modo tale da non assorbire la radiazione OH, cioè in modo che la matrice risulti “trasparente” per l'irraggiamento della pompa, il che esclude, tra l'altro, il riscaldamento del mezzo. Allo stesso tempo, l'efficienza complessiva del sistema "mezzo attivo laser con sorgente OH" è solitamente determinata in larga misura dall'efficienza di conversione energia elettrica, incastonato nella sorgente della pompa, nella sua radiazione;

6) Nella sezione 1.9 è stato mostrato che in sistema quantistico con due livelli energetici è fondamentalmente impossibile ottenere un'inversione di popolazione per qualsiasi valore dell'intensità della radiazione esterna (cioè pompaggio ottico): a →∞ è possibile solo equalizzare le popolazioni dei livelli.

Pertanto, per pompare una transizione laser quantistica con radiazione ottica e creare un'inversione di popolazione su di essa, vengono utilizzati mezzi attivi con uno o due livelli di energia ausiliaria che, insieme a due livelli di transizione laser, formano uno strato a tre o quattro livelli schema (struttura) dei livelli energetici del mezzo attivo.

2. Dispositivi quantistici con pompaggio ottico, funzionanti secondo lo “schema a tre livelli”

2.1. Analisi teorica schema a tre livelli. In tale schema (Fig. 1), il livello laser inferiore "1" è lo stato energetico fondamentale dell'insieme di particelle, il livello laser superiore "2" è un livello relativamente longevo e il livello "3", associato al livello "2" da una rapida transizione non radiativa, lo èausiliario. Il pompaggio ottico funziona sul canale "1" → "3".

Troviamo la condizione per l'esistenza dell'inversione tra i livelli "2" e "1". Supponendo che i pesi statistici dei livelli siano gli stessi g1 = g2 = g3 , scriviamo il sistema di equazioni cinetiche (di equilibrio) per i livelli "3" e "2" in approssimazione stazionaria, nonché la relazione per il numero di particelle ai livelli:

(2)

dove n1, n2, n3 concentrazioni di particelle ai livelli 1,2 e 3, Wn 1 e Wn 3 il tasso di assorbimento e di emissione indotta alle transizioni tra i livelli "1" e "3" sotto l'azione della radiazione di pompa, la cui probabilità W; wik la probabilità di transizioni tra livelli, N

Dalla (2) possiamo ricavare le popolazioni livellate n 2 e n 1 in funzione di W , e la loro differenza Δ n nella forma

, (3)

che definisce il guadagno insaturoα 0 dell'insieme di particelle nella transizione "2"→"1". In modo daα 0 >0, è necessario che, cioè il numeratore in (3) deve essere positivo:

, (4)

dove W allora livello soglia di pompaggio. Da sempre W allora >0, ne consegue che w32 > w21 , cioè. la probabilità di pompare il livello "2" mediante transizioni di rilassamento dal livello "3" dovrebbe essere maggiore della probabilità del suo rilassamento allo stato "1".

Se

w 32 >> w 21 e w 32 >> w 31 , (5)

quindi dalla (3) si ottiene: . E infine, se W >> w 21 , allora l'inversione Δ n sarà: Δ n ≈ n 2 ≈ N , cioè. al livello "2" puoi "raccogliere" tutte le particelle dell'ambiente. Si noti che le relazioni (5) per i tassi di rilassamento dei livelli corrispondono alle condizioni per la generazione dei picchi (vedi Sezione 3.1).

Pertanto, in un sistema a tre livelli con pompaggio ottico:

1) l'inversione è possibile se w32 >> w21 e massimo quando w32 >> w31 ;

2) l'inversione avviene quando W > W quindi , cioè. la creazione indossa carattere di soglia;

3) per w basso 21 si creano le condizioni per il regime “spike” di generazione libera del laser.

2.2. laser a rubino. Questo laser a stato solido è il primo laser ad operare nella gamma delle lunghezze d'onda visibili (T. Meiman, 1960). Il rubino è un cristallo sintetico A l2O3 nella modifica del corindone (matrice) con una miscela di ioni attivatori allo 0,05% Cr3+ (concentrazione di ioni ~1,6∙10 19 cm3 ), ed è indicato come A l2O3: Cr3+ . Il laser a rubino funziona secondo uno schema a tre livelli con OH (Fig. 2a). I livelli laser sono livelli elettronici Cr3+ : il livello laser inferiore "1" è lo stato energetico fondamentale Cr 3+ in Al 2 O 3 , livello laser superiore "2" livello metastabile di lunga durata conτ 2 ~10 3 Con. I livelli "3a" e "3b" sonoausiliario. Le transizioni "1" → "3a" e "1" → "3b" appartengono alle parti blu (λ0,41 μm) e "verde" (λ0,56 μm) dello spettro e sono ampie (con Δλ ~50nm) contorno di assorbimento (strisce).

Riso. 2. Laser a rubino. (a) Diagramma del livello energetico Cr 3+ in Al 2 O 3 (corindone); (B ) schema costruttivo di un laser funzionante in modalità pulsata con Q-switching. 1 asta di rubino, 2 lampada a pompa, 3 riflettore ellittico, 4a specchio risonatore fisso, 4b specchio risonatore rotante che modula il fattore Q del risonatore, C N condensatore di stoccaggio, R resistenza di carica, " Kn » pulsante di avvio impulso di corrente attraverso la lampada; mostra l'ingresso e l'uscita dell'acqua di raffreddamento.

Il metodo di pompaggio ottico fornisce la popolazione selettiva dei livelli ausiliari "3a" e "3b" Cr3+ attraverso il canale "1"→"3" da parte degli ioni Cr3+ quando assorbito dagli ioni Cr3+ radiazione di una lampada allo xeno pulsata. Quindi, in un tempo relativamente breve (~10 8 c) vi è una transizione non radiativa di questi ioni dai livelli "3a" e "3b" ai livelli "2". L'energia rilasciata in questo caso viene convertita in vibrazioni del reticolo cristallino. Con una densità ρ sufficiente dell'energia di radiazione della sorgente di pompa: quando e alla transizione “2” → “1” si verifica l'inversione di popolazione e la radiazione viene generata nella regione rossa dello spettro a λ694,3 nm e λ692. 9 miglia nautiche Il valore soglia del pompaggio, tenendo conto dei pesi statistici dei livelli, corrisponde al trasferimento al livello "2" di circa ⅓ di tutte le particelle attive, che, quando pompate da λ0,56 μm, richiedono energia di radiazione specifica Poro E > 2J/cm 3 (e potenza P poro > 2 kW/cm 3 alla durata dell'impulso della pompaτ ≈10 3 s ). Un valore così elevato di potenza depositata nella lampada e nell'asta di rubino su RS stazionaria può portare alla sua distruzione, pertanto il laser funziona in modalità pulsata e richiede un intenso raffreddamento ad acqua.

Lo schema del laser è mostrato in fig. 2b. La lampada della pompa (lampada flash) e un'asta di rubino per aumentare l'efficienza del pompaggio si trovano all'interno di un riflettore con una superficie interna cilindrica e una sezione trasversale a forma di ellisse, e la lampada e l'asta si trovano nei punti focali dell'ellisse. Di conseguenza, tutta la radiazione che esce dalla lampada viene focalizzata nell'asta. Un impulso luminoso della lampada si verifica quando un impulso di corrente la attraversa scaricando un condensatore di accumulo nel momento in cui i contatti vengono chiusi con il “ Kn ". L'acqua di raffreddamento viene pompata all'interno del riflettore. L'energia della radiazione laser per impulso raggiunge diversi joule.

La modalità di funzionamento a impulsi di questo laser può essere una delle seguenti (vedere Sezione 3):

1) modalità “generazione libera” a bassa frequenza di ripetizione degli impulsi (solitamente 0,1 ... 10 Hz);

2) Modalità “Q-switched”, solitamente ottico-meccanica. Nella fig. 2b, la commutazione Q dell'OOP viene effettuata ruotando lo specchio;

3) modalità “mode-locking”: con la larghezza della linea di emissione Δν non uno ~10 11 Hz,

numero di modi longitudinali M~10 2 , durata dell'impulso ~10 ps.

Le applicazioni del laser a rubino includono sistemi di registrazione di immagini olografiche, lavorazione di materiali, telemetri ottici, ecc.

Ampiamente usato in medicina e laser BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (crisoberillo drogato con cromo o alessandrite), emettendo nell'intervallo 0,7 ... 0,82 micron.

2.3. Amplificatore quantico in fibra ottica Erbio. Un amplificatore di questo tipo, spesso chiamato “ EDFA " (abbreviazione di " Amplificatore in fibra drogata con erbio ”), funziona secondo uno schema a tre livelli sulle transizioni quantistiche tra stati elettronici E 3+ in fibra di silice drogata con erbio: SiO2: Er3+ (Fig. 3a). Lo stato quantico inferiore "1" è lo stato elettronico fondamentale Er 3+ 4 I 15/2 . Gli stati quantistici superiori "2" sono il gruppo di sottolivelli inferiori dello stato elettronico diviso 4 I 13/2 . La suddivisione in una serie di sottolivelli ravvicinati avviene a causa dell'interazione degli ioni E 3+ con campo intracristallino SiO2 (Effetto Stark). Sottolivelli superiori dello stato elettronico 4 I 13/2 e livello separato 4 I 11/2 sono i livelli ausiliari "3a" e "3b".

Sotto l'azione della radiazione di pompa a lunghezze d'onda di 980 nm (o 1480 nm), gli ioni E 3+ passare dallo stato "1" agli stati di breve durata "3a" o "3b", e quindi transizioni veloci non radiative ( w 32 ~10 6 s 1 ) per dichiarare “2”, che è quasi-metastabile ( w 21 ~10 2 c 1 e τ 2 ~10 ms). Quindi il requisito w32 >> w21 viene effettuato e al livello "2" si verifica un accumulo di particelle, il cui numero, quando il livello della pompa supera il suo valore di soglia, W > W quindi , supera la popolazione del livello "1", cioè ci sarà un'inversione di popolazione e un'amplificazione a lunghezze d'onda nell'intervallo 1,52…1,57 μm (Fig. 3b). Risulta che la soglia di inversione viene raggiunta quando un terzo delle particelle viene trasferito al livello "2". Soglia OH W allora e la dipendenza dalla frequenza del guadagno sono determinati dalla struttura della fibra (Fig. 3b), concentrazione E 3+ e la lunghezza d'onda della radiazione OH. L'efficienza di pompaggio, ovvero il rapporto tra il guadagno insaturo e la potenza unitaria della sorgente OH, è per il pompaggio da λ980 nm a 11 dB m 1 ∙mW 1 , e per λ1480nm circa 6dB m 1 ∙mW 1 .

Ottieni la conformità della frequenza EDFA la terza "finestra di trasparenza" della fibra di quarzo determina l'uso di tali amplificatori come compensatori di perdita lineari delle moderne linee di comunicazione in fibra ottica (FOCL) con multiplexing di frequenza dei canali (sistemi WDM: Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda e DWDM: Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda densa ). La lunghezza del cavo-amplificatore, pompato dalla radiazione di un laser a semiconduttore, è semplicemente compresa nel FOCL (Fig. 3c). L'uso di amplificatori in fibra di erbio nel FOCL sostituisce il metodo tecnicamente molto più complicato di “rigenerazione” del segnale isolando un segnale debole e recuperandolo.

Riso. 3. Amplificatore quantistico in fibra ottica di Erbio ( EDFA ). (a) diagramma del livello energetico Er3+ in SiO2 (quarzo), (b)amplificazione del segnale in quarzo con vari additivi, ( V )schema semplificato per l'accensione di un amplificatore in un FOCL: 1radiazione in ingresso (dal percorso di trasmissione), 2 laser a pompa a semiconduttore, 3multiplexer ( accoppiatore), 4 EDFA (SiO 2: Er 3+ fibra ), 5isolatore ottico, 6radiazione in uscita (al percorso di trasmissione).

3. Laser pompati otticamente che funzionano secondo lo "schema a quattro livelli".

3.1. Analisi teorica dello schema a quattro livelli. In tale schema di livelli (Fig. 4), il livello “0” è lo stato energetico fondamentale di un insieme di particelle, il livello “1”, associato ad una transizione quantistica con il livello “0”, è il livello laser inferiore, lungo -il livello "2" è il livello laser superiore e il livello "3" è ausiliario. Il pompaggio funziona sul canale "0" → "3".

Troviamo la condizione per l'esistenza dell'inversione tra i livelli "2" e "1". Supponendo che i pesi statistici dei livelli siano gli stessi, e anche supponendo quello

e (6)

scrivere sistema semplificato equazioni cinetiche per i livelli "3", "2" e "1" in approssimazione stazionaria, nonché il rapporto per il numero di particelle a tutti i livelli:

(7)

dove n0, n1, n2, n3 , concentrazione di particelle a livelli 0,1,2,3; Wn 0 e Wn 3 il tasso di assorbimento e di emissione indotta alle transizioni tra i livelli "0" e "3" sotto l'azione della radiazione della pompa, la cui probabilità W; wik probabilità di transizione tra livelli, N numero totale di particelle attive per unità di volume.

Dalle (6 e 7) si ricavano le popolazioni livellate n 1 e n 2 in funzione di W , e la loro differenza Δ n nella forma

, (8)

che determina il guadagno insaturo α 0 nella transizione "2"→"1".

Ovviamente il guadagno sarà positivo e massimo quando:

. (9)

Da ciò possiamo concludere che nel caso di uno schema a quattro livelli con OH, quando le condizioni (6) e (9) sono soddisfatte:

1) l'inversione non è di natura soglia ed esiste per qualsiasi W;

2) la potenza di uscita del laser, determinata dall'espressione (2.14), dipende dalla velocità di pompaggio ottico Wn0.

3) rispetto al tre livelli, lo schema a quattro livelli è più versatile e permette di realizzare un'inversione di popolazione, nonché di implementare sia la generazione pulsata che continua e la generazione a qualsiasi livello di pompa (quando il guadagno supera le perdite nel OER).

3.2. laser al neodimio. Il laser utilizza una transizione quantistica tra i livelli di energia elettronica Nd 3+ , la generazione del laser viene eseguita secondo uno schema a quattro livelli con OH (Fig. 5). La matrice cristallina più utilizzata per gli ioni Nd 3+ è granato di ittrio e alluminio: Y3Al5O12 , e il cristallo drogato è indicato come Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ o YAG: Nd 3+ . Concentrazione di Nd3+ , che non deforma il cristallo YAG fino all'1,5%. Altre matrici per Nd 3+ sono vetri fosfatici e silicati (indicati come vetro: Nd 3+ ), cristalli di granato gadolinio-scandio-gallio (GSHG: Nd 3+ ), fluoruro di ittrio-litio YLiF 4: Nd 3+ , ortovanadato di ittrio, liquidi organometallici. A causa della struttura cubica della matrice, lo spettro di luminescenza YAG presenta linee strette, che determinano l'elevato guadagno dei laser a stato solido al neodimio, che possono funzionare sia in modalità di generazione pulsata che in cw.

Diagramma elettronico semplificato del livello di energia Nd 3+ in YAG è mostrato in Fig. 5 Livello laser inferiore "1" 4 I 11/2 la transizione quantistica più intensa Nd 3+ con una lunghezza d'onda di λ1,06 μm si trova a circa 0,25 eV sopra lo stato energetico terrestre "0" 4 I 9/2 , e in condizioni normali è praticamente spopolato (0,01% della popolazione dello stato fondamentale), il che determina la soglia bassa di generazione di questo laser. Livello 4 Fa 3/2 , la cui durata è di 0,2 ms, è il livello laser superiore "2". Gruppi di livelli (“zone” energetiche) "3a" ... "3 D ” svolgono il ruolo di livello elettronico ausiliario “3”. Il pompaggio ottico viene effettuato attraverso il canale "0" → "3", le bande di assorbimento hanno lunghezze d'onda vicine a 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 e 0,89 µm. Dagli stati "3a" ... "3 D » si verifica un rapido rilassamento mediante transizioni non radiative allo stato laser superiore «2».

Le lampade a scarica di gas al kripton e allo xeno vengono utilizzate per il pompaggio, lampade alogene con additivi di metalli alcalini nel gas di riempimento e semiconduttori GaAs laser (λ0,88 µm) e LED basati su Ga 1 x Al x As (λ0,81 µm) (Fig. 6).

Potenza della radiazione laser YAG: Nd 3+ con una lunghezza d'onda di λ1,06 μm in modalità continua raggiunge 1 kW, i valori record raggiunti in modalità pulsata: l'energia dell'impulso è di circa 200 kJ e la potenza è di 200 TW con una durata dell'impulso di ~ 1 ns ( un laser progettato per esperimenti di fusione termonucleare laser controllata (LTS).

In un cristallo YAG, una linea laser Nd 3+ con λ1,06 μm risulta allargato uniformemente (fino a 0,7 nm), mentre nei vetri si riscontra un notevole allargamento disomogeneo dovuto all'effetto Stark (Δν nessuno ≈3∙10 12 Hz,), che consente di applicare con successo la modalità di bloccaggio in modalità longitudinale (vedere Sezione 3.3) con M~10 4 e ricevono impulsi ultracorti con una durata dell'ordine di 1 ps.

Una maggiore concentrazione di ioni attivatori in mezzi come il pentafosfato al neodimio ( NdP5O14 ), litio neodimio tetrafosfato ( LiNdP4O12 ) e altri, fornisce un assorbimento efficiente della radiazione laser a semiconduttore a distanze dell'ordine di frazioni di millimetro, che consente di creare moduli in miniatura chiamati minilaser : laser a semiconduttorelaser al neodimio.

L'elevata potenza di radiazione di un laser al neodimio con λ1,06 μm consente di convertire la frequenza della sua radiazione utilizzando cristalli non lineari. Per generare la seconda e le armoniche ottiche superiori, vengono utilizzati cristalli con suscettibilità non lineare quadratica e cubica (potassio diidrogeno fosfato KDP , potassio titanil fosfato KTP ), con conversione diretta e (o) sequenziale (a cascata). Quindi, se una catena di cristalli viene utilizzata per la radiazione di un laser al neodimio, allora è possibile ottenere, oltre alla radiazione IR alla frequenza fondamentale con λ1,06 μm , la generazione della 2a, 4a e 5a armonica con lunghezze d'onda λ0,53 μm (radiazione verde); λ0,35μm, λ0,26μm e λ0,21μm (radiazione UV) (Fig. 7).

Le principali aree di applicazione dei laser al neodimio: tecnologiche e installazioni mediche, esperimenti sulla fusione termonucleare laser controllata, studi sull'interazione risonante della radiazione con la materia, nei sistemi di visione e comunicazione subacquea (λ0,53 μm), elaborazione ottica dell'informazione; spettroscopia, diagnostica remota delle impurità presenti nell'atmosfera (radiazioni UV), ecc.

Nei laser che utilizzano occhiali come matrice (silicato, borato, ecc.), possono essere utilizzati con successo anche altri ioni attivatori: Yb 3+, Er 3+, Tm 3+, Ho 3+ con radiazione nell'intervallo 0,9 ... 1,54 μm.

3.3. Conversione di frequenza della radiazione in un mezzo non lineare. Il fenomeno del raddoppio e della somma delle frequenze delle onde luminose è il seguente. Quando la luce si propaga in un mezzo sotto l'azione di un campo elettrico di un'onda elettromagnetica E , c'è un corrispondente spostamento degli elettroni atomici rispetto ai nuclei, cioè il mezzo è polarizzato. La polarizzabilità del mezzo è caratterizzata dall'entità del momento di dipolo elettrico per unità di volume - R legati all’entità del campo E attraverso la suscettività dielettrica del mezzoχ : . Se questo campo è piccolo, allora la suscettibilità dielettricaχ \u003d χ 0 \u003d Cost, p è una funzione lineare di E : , e lo spostamento delle cariche provoca una radiazione con la stessa frequenza della radiazione iniziale (“ ottica “lineare”).

Ad alta potenza, quando campo elettrico la radiazione inizia a superare il valore del campo intraatomico, la polarizzabilità diventa una funzione non lineare E : Cioè, a parte la dipendenza lineare da E termine in piccolo E , quando si tratta di ottica lineare, nell'espressione per R appare non lineare rispetto a Termine E (“non lineare "ottica). Di conseguenza, quando un'onda “pompa” si propaga in un mezzo con una frequenza ν 0 e il vettore d'onda (dove è l'indice di rifrazione del mezzo), appare una nuova onda, la seconda armonica ottica con frequenza e vettore d'onda, nonché un numero di armoniche di ordine superiore. Ovviamente, l'energia di un'onda di pompa con una frequenza verrà trasferita in modo più efficiente in una nuova onda con una frequenza se le velocità di propagazione di queste due onde sono le stesse, cioè se c'è un cosiddetto.: . Questa condizione può essere soddisfatta utilizzando un cristallo con birifrangenza, quando due onde si propagano con un certo angolo rispetto al suo asse ottico principale.

Quando nel cristallo si propagano due onde con frequenze e vettori d'onda e, oltre alle armoniche di ciascuna delle onde, nel cristallo si genera un'onda con una frequenza totale: , e un'onda con una frequenza differenziale. La condizione di sincronismo d'onda in questo caso ha la forma: .

In un certo senso, i fenomeni descritti possono essere considerati come la generazione di armoniche durante il pompaggio ottico coerente di un cristallo non lineare.

3.4. Laser a coloranti sintonizzabili. Appartengono al gruppo i laser basati su soluzioni di composti organici complessi (compresi coloranti: rodammine, cumarine, ossazoli, ecc.) in alcoli, acetone e altri solventi liquido laser. Tali soluzioni hanno bande di assorbimento intense in OH e bande di emissione nelle regioni spettrali vicino UV, visibile o vicino IR. Il loro vantaggio principale è un'ampia linea di luminescenza (fino a 50…100 nm), che consente di sintonizzare in modo uniforme la frequenza operativa del laser all'interno di questa linea.

Gli stati elettronici della maggior parte dei coloranti utilizzati in tali laser sono bande di energia continue ampie, fino a 0,1 eV, risultanti dall'aggiunta di centinaia di sottolivelli vibrazionali e rotazionali "sovrapposti", che porta anche ad un ampio, di regola, assorbimento e luminescenza senza struttura bande, come risultato dell'aggiunta di transizioni "sovrapposte" tra tali sottolivelli (Fig. 8a). Tra i sottolivelli “all’interno” di queste bande, ci sono transizioni veloci non radiative con probabilità w ~10 10 …10 12 s 1 , e le probabilità di transizioni di rilassamento tra stati elettronici sono da due a quattro ordini di grandezza inferiori (~ 10 8c1).

La generazione avviene secondo uno schema a “quattro livelli” sulle transizioni della molecola del colorante dai sottolivelli vibrazionali inferiori del primo stato elettronico di singoletto eccitato S1 (Fig. 8, a), analoghi del livello "2" nel diagramma di Fig. 4 ai sottolivelli superiori dello stato elettronico fondamentale S0 , analoghi del livello "1". L'analogo del livello "0" sono i sottolivelli inferiori del termine elettronico principale e l'analogo del livello ausiliario "3" sono i sottolivelli vibrazionali superiori del termine elettronico eccitato S1.

Poiché all'interno dei termini elettronici avvengono transizioni veloci, la distribuzione della popolazione degli stati corrisponde alla legge di Boltzmann: i sottolivelli superiori "3" e "1" sono debolmente popolati, mentre quelli inferiori "0" e "2" sono fortemente popolati . Tale rapporto per i livelli "0" e "3" determina per loro un'elevata efficienza della RS lungo il canale "0" → "3", e il rapporto per i livelli "2" e "1" determina l'inversione di popolazione, l'amplificazione e generazione in questa transizione.

Per ottenere una linea di generazione stretta, oltre a poterla sintonizzare in frequenza all'interno di un'ampia banda di luminescenza delle molecole di colorante, si utilizza un risonatore dispersivo con elementi selettivi spettrali (prismi, reticoli di diffrazione, interferometri, ecc.) (Fig. 8b).

La possibilità di sintonizzazione della lunghezza d'onda all'interno della linea di luminescenza (Fig. 8, V ) senza perdita di potenza è determinata da transizioni veloci non radiative all'interno dei termini elettronici "2" e "1", la cui probabilità supera la probabilità delle transizioni indotte. Pertanto, quando si sintonizza il risonatore su qualsiasi lunghezza d'onda all'interno della linea di luminescenza della transizione "2" → "1", la radiazione laser si verifica nella transizione tra i sottolivelli corrispondenti "2ʹ" e "1ʹ ”, risultando nel sottolivello “2ʹ » dalle transizioni indotte viene “cancellato”, e «1ʹ » viene inoltre popolato. Tuttavia, a causa dell’OH e delle rapide transizioni dai sottolivelli vicini all’interno del termine, la popolazione del sottolivello “generatore” “2ʹ » viene continuamente ripristinato. Allo stesso tempo, il sottolivello "1ʹ " viene continuamente cancellato da transizioni veloci, per poi rilassarsi allo stato "0". Pertanto, l’intero pompaggio del termine elettronico superiore “2” diventa il pompaggio della transizione “2ʹ»→«1ʹ » e si trasforma in radiazione laser monocromatica a banda stretta alla frequenza di sintonizzazione del risonatore dispersivo, e questa frequenza può essere variata.

Oltre alle transizioni radiative S1 → S0 ("2" → "1") Ci sono anche una serie di transizioni che riducono l’efficienza della generazione. Queste sono le transizioni: S1→T1 , che riducono la popolazione dei livelli “2ʹ ”, transizioni T 1 →"1", incrementando la popolazione dei livelli "1ʹ", e le transizioni T 1 → T 2 assorbendo la radiazione laser.

Esistono due tipi di laser a coloranti: incoerente (tubo) pompato otticamente dalla radiazione lampade flash e modalità di funzionamento a impulsi; e anche con coerente pompaggio mediante radiazione di laser di altro tipo (a gas o a stato solido) in funzionamento continuo, quasi continuo o pulsato. Se nel laser viene utilizzato un cambio di coloranti, e ce ne sono più di mille, in questo modo è possibile "bloccare" l'intera regione visibile e parte della regione IR dello spettro (0,33 ... 1,8 μm) con radiazione. Nei laser con pompaggio coerente, le pompe ioniche vengono utilizzate come sorgenti di pompa per ottenere un regime continuo. Ar - o Kr -laser a gas. Per pompare i coloranti in modalità pulsata vengono utilizzati laser a gas N2 , vapori di rame, eccimeri, nonché laser al rubino e al neodimio con moltiplicazione di frequenza. Spesso è necessario utilizzare il pompaggio della soluzione colorante, a seguito della quale le molecole che hanno subito dissociazione sotto l'azione della radiazione della pompa vengono rimosse dalla zona attiva e vengono introdotte quelle fresche.

Laser a coloranti, aventi Δν nessuno ~10 13 Hz e M>10 4 , consentono di generare impulsi di radiazione ultracorti (τ~10 14...10 13 s).

I laser a coloranti con feedback distribuito (DFB) costituiscono un gruppo speciale. Nei laser DFB, il ruolo di un risonatore è svolto da una struttura con un indice di rifrazione e (o) guadagno che cambiano periodicamente. Di solito viene creato in un mezzo attivo sotto l'azione di due raggi di pompa interferenti. Un laser DFB è caratterizzato da una linea di generazione stretta (~10 2 cm1 ), che può essere regolato all'interno della banda di guadagno modificando l'angolo tra i raggi della pompa.

Le applicazioni del laser a coloranti includono la fotochimica, il pompaggio selettivo di stati quantistici nella spettroscopia, la separazione isotopica, ecc.

3.5 Laser zaffiro drogato con titanio sintonizzabile. La regolazione uniforme della lunghezza d'onda di generazione è assicurata anche da un laser a stato solido basato su un cristallo di corindone attivato al titanio ( Al 2 O 3 : Ti 3+), chiamato zaffiro.

Ogni stato elettronico Ti3+ , è costituito da un gran numero di sottolivelli vibrazionali "sovrapposti", il che porta a bande di assorbimento senza struttura e luminescenza ancora più ampie di quelle di un colorante come risultato dell'aggiunta di transizioni "sovrapposte" tra tali sottolivelli. All'interno di questi stati ci sono transizioni veloci non radiative con probabilità w ~10 9 s 1 , mentre le probabilità di rilassamento tra stati elettronici sono dell'ordine di 10 5 …10 6 s 1 .

Il laser allo zaffiro appartiene al gruppo dei cosiddetti. vibronico laser, caratterizzati dal fatto che il loro termine elettronico principale è una banda di sottolivelli vibrazionali ( reticolo cristallino), grazie al quale il laser funziona secondo uno schema a quattro livelli e, come un laser a coloranti, crea la possibilità di una regolazione uniforme della generazione nell'intervallo λ660…1180 nm. La banda di assorbimento si estende da λ0,49 µm a λ0,54 µm. Breve durata dello stato eccitato "2" Ti3+ rende inefficace il pompaggio della lampada di questo laser, che, di regola, viene effettuato da un laser ad argon cw (λ488 nm e λ514,5 nm), la seconda armonica di un laser al neodimio (λ530 nm) o impulsi di radiazione laser a vapori di rame (λ510 nm).

Gli indubbi vantaggi di un laser allo zaffiro con titanio sono una potenza di pompa ammissibile molto più elevata senza degrado della sostanza di lavoro e una linea di luminescenza più ampia e disomogenea. Ne risulta una sequenza di impulsi della durata di circa decine di femtosecondi (1fs=10 15 c), e con successiva compressione (compressione) degli impulsi in fibre ottiche non linearifino a 0,6 fs.

3.6. Laser centrali a colori sintonizzabili. Tali laser, come i laser a stato solido discussi sopra, utilizzano cristalli ionici come sostanza attiva, ma con centri di colore chiamati F - centri , che permette la sintonizzazione della loro radiazione. Materiali laser per tali laser: cristalli di fluoruri e cloruri di metalli alcalini ( Li, Na, K, Rb ), così come i fluoruri Ca e Sr . L'impatto delle radiazioni ionizzanti su di essi: quanti gamma, elettroni ad alta energia, raggi X e radiazioni UV forti, nonché la calcinazione dei cristalli nei vapori di metalli alcalini, porta alla comparsa di difetti puntiformi nel reticolo cristallino che localizzano elettroni o buchi su se stessi. Una vacanza che cattura un elettrone forma un difetto la cui struttura elettronica è simile a quella di un atomo di idrogeno. Un centro di colore di questo tipo presenta bande di assorbimento nelle regioni visibili e UV dello spettro.

Lo schema di generazione del laser sui centri di colore è simile agli schemi dei laser liquidi sui coloranti organici. Per la prima volta, la generazione di emissione stimolata nei centri di colore è stata ottenuta in cristalli di K Cl-Li sotto pompaggio ottico pulsato. Al momento, è stata osservata la generazione in un gran numero di diversi centri di colore con radiazione IR in modalità pulsata e continua con RS coerente. La frequenza della radiazione viene sintonizzata utilizzando elementi dispersivi (prismi, reticoli di diffrazione, ecc.) posti nel risonatore. Tuttavia, la scarsa stabilità termica e fotografica impedisce uso diffuso tali laser.

3.7. Laser a fibra. fibra chiamati laser, il cui risonatore è costruito sulla base di fibra ottica-guida d'onda, che è anche il mezzo attivo del laser in cui viene generata la radiazione (Fig. 9). Viene utilizzata fibra di quarzo drogato con terre rare ( Nd, Ho, Er, Tm, Yb ecc.), o fibra passiva che sfrutta l'effetto dello scattering Raman stimolato. In quest'ultimo caso, il risonatore ottico forma una guida luminosa in combinazione con reticoli di indice di rifrazione “Bragg” “incorporati” nella fibra. Tali laser sono chiamati fibra Raman "Laser. La radiazione laser si propaga all'interno della fibra ottica, pertanto la cavità del laser fibra è semplice e non necessita di allineamento. In un laser a fibra è possibile ottenere sia la generazione a frequenza singola che la generazione di impulsi luminosi ultracorti (femtosecondi, picosecondi).

4. Generazione parametrica della luce

Generazione parametrica della luce(POS) viene effettuato sotto l'azione della radiazione di pompaggio ottica laser in cristalli solidi con proprietà non lineari ed è caratterizzato da un coefficiente di conversione piuttosto elevato (decine di percentuali). In questo caso, è possibile sintonizzare gradualmente la frequenza della radiazione in uscita. In un certo senso, l'OPO, così come il fenomeno di moltiplicazione e addizione di frequenza sopra considerato, può essere considerato come la generazione di radiazione accordabile durante il pompaggio ottico coerente di un cristallo non lineare.

Al centro del fenomeno OPO, come nel caso della moltiplicazione e addizione delle frequenze, ci sono fenomeni ottici non lineari nei media. Consideriamo il caso in cui un mezzo con proprietà non lineari e situato in una cavità ottica aperta (OOR) interagisce con la radiazione laser di intensità sufficientemente elevata, avente una frequenza ν 0 (pompaggio). A causa del pompaggio dell’energia di quest’onda, nel mezzo possono apparire due nuove onde luminose:

1) un'onda di natura “rumore” con una certa frequenza ν 1 ;

2) un'onda con una frequenza diversa (ν 0 contro 1 ), che è il risultato di un'interazione non lineare tra la radiazione della pompa e un'onda casuale (rumore) con frequenza ν 1 .

Inoltre, le frequenze ν 1 e (ν 0 ν 1 ) devono essere frequenze naturali dell'OOP e per tutte e tre le onde,condizione di sincronismo delle onde: . In altre parole, l'onda luminosa della pompa ha frequenza ν 0 utilizzando un'onda di rumore ausiliaria con frequenza ν 1 , si trasforma in un'onda con frequenza (ν 0 × 1 ).

La sintonizzazione della frequenza della radiazione OPO viene effettuata selezionando l'orientamento di un cristallo birifrangente non lineare ruotandolo, ad es. modificando l'angolo tra il suo asse ottico e l'asse del risonatore per eseguirecondizione di sincronismo delle onde. Ogni valore dell'angolo corrisponde ad una combinazione di frequenze ν rigorosamente definita 1 e (ν 0 ν 1 ), per il quale la condizione di sincronismo d'onda è attualmente soddisfatta.

È possibile utilizzare due schemi per implementare il PGS:

1) schema “a due risonatori”, quando le onde generate con frequenze ν 1 e (ν 0 ν 1 ) si verificano in una OER, mentre la perdita di OER per loro dovrebbe essere piccola;

2) schema “singolo risonatore”, quando una sola onda con frequenza (ν 0 × 1 ).

Un cristallo può essere utilizzato come mezzo attivo LiNbO3 (niobato di litio), pompato dalla radiazione della seconda armonica dello YAG: Nd 3+ (λ0,53 μm) e la regolazione uniforme può essere eseguita nell'intervallo fino a λ3,5 μm entro il 10%. Un insieme di cristalli ottici con diverse aree di non linearità e trasparenza consente la sintonizzazione nella regione IR fino a 16 µm.

5. Laser a semiconduttore

semiconduttorechiamati laser a stato solido in cui cristalli semiconduttori di varie composizioni con inversione di popolazione durante una transizione quantistica vengono utilizzati come mezzo attivo (sostanza di lavoro). Un contributo decisivo alla creazione e al miglioramento di tali laser è stato dato dai nostri compatrioti N.G. Basov, Zh.I. Alferov e dai loro collaboratori.

5.1. Principio operativo. Nei laser a semiconduttore, a differenza dei laser di altri tipi (compresi altri a stato solido), le transizioni radiative vengono utilizzate non tra livelli energetici isolati di atomi, molecole e ioni che non interagiscono o interagiscono debolmente tra loro, ma tra consentitizone energetichecristallo. La radiazione (luminescenza) e la generazione di emissione stimolata nei semiconduttori è dovuta a transizioni quantistiche di elettroni sia tra i livelli energetici della banda di conduzione e della banda di valenza, sia tra i livelli di queste bande e i livelli di impurità: transizioni livello donatore livello accettore, conduzione livello dell'accettore di banda, banda di valenza del livello del donatore, anche attraverso gli stati eccitonici. Ciascuna zona energetica corrisponde a una zona molto grande (~10 23 …10 24 ) il numero di stati consentiti. Poiché gli elettroni sono fermioni; allora, ad esempio, valenza la banda può essere riempita completamente o parzialmente di elettroni: con una densità decrescente dal basso verso l'alto lungo la scala dell'energia simile alla distribuzione di Boltzmann negli atomi.

La radiazione dei semiconduttori si basa su questo fenomenoelettroluminescenza. Un fotone viene emesso come risultato di un atto ri combinazione portatore di caricaelettrone e “buca” (un elettrone della banda di conduzione occupa un posto vacante nella banda di valenza), mentre la lunghezza d'onda della radiazione è determinata dagap di banda. Se creiamo condizioni tali che un elettrone e una lacuna prima della ricombinazione si trovino nella stessa regione dello spazio per un tempo sufficientemente lungo, e in quel momento un fotone con una frequenza che è in risonanza con la frequenza della transizione quantistica passa attraverso questa regione dello spazio, quindi può indurre il processo di ricombinazione con l'emissione del secondo fotone e della sua direzione, vettore polarizzazione e fase corrisponderà esattamente alle stesse caratteristiche del primo fotone. Ad esempio, nel Proprio Semiconduttori (“puri”, “privi di impurità”), c'è una banda di valenza piena e una banda di conduzione quasi libera. Durante le transizioni interbanda, per provocare l'inversione e ottenere la generazione, è necessario creare concentrazioni in eccesso di non equilibrio di portatori di carica: nella banda di conduzione gli elettroni e nella banda di valenza le lacune. In questo caso, l’intervallo tra i livelli quasi-Fermi deve superare il band gap, cioè uno o entrambi i livelli quasi-Fermi si troveranno all'interno delle bande consentite a distanze non superiori a kT dai loro confini. E questo presuppone un'eccitazione di tale intensità degenerazione nella banda di conduzione e nella banda di valenza.

I primi laser a semiconduttore utilizzavano l'arseniuro di gallio (GaAs), funzionavano in modalità pulsata, emettevano nella gamma IR e richiedevano un raffreddamento intenso. Ulteriori ricerche hanno permesso di apportare molti miglioramenti significativi nella fisica e nella tecnologia dei laser di questo tipo, che attualmente emettono sia nel campo del visibile che in quello degli UV.

La degenerazione di un semiconduttore si ottiene drogandolo pesantemente ad un'elevata concentrazione di drogante, in modo tale da mostrare le proprietà del drogante, piuttosto che quelle del semiconduttore intrinseco. Ogni atomo donatore l'impurità cede uno dei suoi elettroni alla banda di conduzione del cristallo. Al contrario, l'atomoaccettorel'impurità cattura un elettrone, che era condiviso dal cristallo e si trovava nella banda di valenza. degenerareNun semiconduttore si ottiene, ad esempio, introducendolo inGaAsimpurità di tellurio (concentrazione 3...5 1018 cm3 ) e il degeneratoPimpurità di zinco semiconduttore (concentrazione 1019 cm3 ). La generazione viene effettuata a lunghezze d'onda IR da 0,82 µm a 0,9 µm. Molto diffuse sono anche le strutture coltivate su substrati.InP(Regione IR λ1…3 µm).

Il cristallo semiconduttore del diodo laser più semplice operante su una “omogiunzione” (Fig. 10) ha la forma di una piastra rettangolare molto sottile. Tale piastra è essenzialmente otticaguida d'ondadove si propaga la radiazione. Lo strato superiore del cristallodrogatoper creareParea e nello strato inferiore viene creatoNregione. Il risultato è un appartamentoPNattraversamento di una vasta area. I due lati (estremità) del cristallo sono tagliati e lucidati per formare piani riflettenti lisci e paralleli che formano una cavità ottica aperta.- Interferometro di Fabry-Perot. Fotone casuale di emissione spontanea emesso in un pianoPNtransizione perpendicolare ai riflettori, passando lungo il risonatore, causerà transizioni di ricombinazione stimolate, creando nuovi e nuovi fotoni con gli stessi parametri, cioè. la radiazione verrà amplificata, inizierà la generazione. In questo caso, il raggio laser si formerà a causa del ripetuto passaggio attraverso la guida d'onda ottica e della riflessione dalle estremità.

Il tipo più importante di pompaggio nei laser a semiconduttore èiniezionepompaggio. In questo caso, le particelle attive sono portatori di carica libera, elettroni e lacune di conduzione in eccesso di non equilibrio, cheiniettatoVp-transizione (mezzo attivo), quando lo si attraversa corrente elettrica in direzione “diretta” con uno spostamento “diretto”, che riduce l’altezza della potenziale barriera. Ciò consente la conversione diretta dell'energia elettrica (corrente) in radiazione coerente.

Altri metodi di pompaggio sono il guasto elettrico (nel cosiddetto.streamerlaser), pompaggio di fasci di elettroni e pompaggio ottico.

5.2. Laser DHS. Se disponi uno strato con uno più strettozona proibita(regione attiva) tra due strati con un bandgap più ampio, il cosiddetto.eterostruttura. Il laser che lo utilizza è chiamato doppio laser.eterostruttura(laser DHS, o “doppia eterostruttura”, DHS- laser). Questa struttura è formata dall'unionearseniuro di gallio(GaAs) earseniuro di gallio e alluminio(AlGaAs). Il vantaggio di tali laser risiede nel piccolo spessore dello strato intermedio della regione attiva, dove sono localizzati gli elettroni e le lacune: la luce viene inoltre riflessa dalle eterogiunzioni e la radiazione sarà contenuta nella regione di massima amplificazione.

Se su entrambi i lati del cristallo laser DHS si aggiungono altri due strati con indice di rifrazione inferiore rispetto a quello centrale, allora si ottiene uno strato simileluce guidastruttura che intrappola più efficacemente le radiazioni (laser DHScon presa separata, O "eterostruttura di confinamento separata”, SCHS- laser). La maggior parte dei laser prodotti negli ultimi decenni sono realizzati utilizzando questa tecnologia. Lo sviluppo della moderna optoelettronica, l'energia solare si basa su eterostrutture quantistiche: incl. con "pozzi" quantistici, "punti" quantistici.

5.3. Laser DFB e VRPI. Nei laser confeedback distribuito(ROS o “distribuitofeedback”– DFBlaser) vicinoP- Ntransizione, viene applicato un sistema di “tratti” in rilievo trasversale, formandograta. Grazie a questo reticolo, la radiazione con una sola lunghezza d'onda ritorna al risonatore e su di esso avviene la generazione, ad es. viene effettuata la stabilizzazione della lunghezza d'onda della radiazione (laser per la comunicazione in fibra ottica multifrequenza).

Un laser "a bordo" a semiconduttore che emette luce in una direzione perpendicolare alla superficie del cristallo ed è chiamato laser a "emissione di superficie a cavità verticale" (laser VRTS o "verticalecavitàsuperficie- emettendo”: VCSElaser), ha un diagramma di radiazione simmetrico con un piccolo angolo di divergenza.

Nel mezzo attivo di un laser a semiconduttore, un guadagno molto elevato (fino a 104 cm-1 ), per cui le dimensioni dell'elemento attivo P. l. i laser sono estremamente piccoli (lunghezza del risonatore 50 µm…1 mm). Oltre alla compattezza, le caratteristiche dei laser a semiconduttore sono: facilità di controllo dell'intensità modificando il valore di corrente, bassa inerzia (~109 c), alta efficienza (fino al 50%), possibilità di regolazione spettrale e un'ampia selezione di sostanze per la generazione in un ampio intervallo spettrale dall'UV, visibile al medio IR. Allo stesso tempo, rispetto ai laser a gas, i laser a semiconduttore sono caratterizzati da un grado relativamente basso di monocromaticità e coerenza della radiazione e non possono emettere contemporaneamente a diverse lunghezze d'onda. I laser a semiconduttore possono essere monomodali o multimodali (con un'ampia larghezza della zona attiva). I laser multimodali vengono utilizzati nei casi in cui un dispositivo richiede un'elevata potenza di radiazione e la condizione di divergenza del raggio anabbagliante non è impostata. I campi di applicazione dei laser a semiconduttore sono: dispositivi di elaborazione delle informazioni - scanner, stampanti, dispositivi di memorizzazione ottica, ecc., dispositivi di misurazione, pompaggio di altri laser, designatori laser, fibra ottica e tecnologia.

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