Ano ang aktibong daluyan ng isang laser. Paano gumagana ang laser

Mahirap sa ating panahon na makahanap ng taong hindi kailanman makakarinig ng salita "laser", gayunpaman, kakaunti ang malinaw na nakakaunawa kung ano ito.

Kalahating siglo mula nang maimbento ang mga laser iba't ibang uri natagpuan ang aplikasyon sa isang malawak na hanay ng mga lugar, mula sa medisina hanggang sa digital na teknolohiya. Kaya ano ang isang laser, ano ang prinsipyo ng operasyon nito, at para saan ito?

Ano ang isang laser?

Ang posibilidad ng pagkakaroon ng mga laser ay hinulaang ni Albert Einstein, na noong 1917 ay naglathala ng isang papel na nagsasalita tungkol sa posibilidad ng mga electron na nagpapalabas ng liwanag na quanta ng isang tiyak na haba. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na stimulated emission, ngunit sa loob ng mahabang panahon ito ay itinuturing na hindi maisasakatuparan mula sa isang teknikal na punto ng view.

Gayunpaman, sa pag-unlad ng mga teknikal at teknolohikal na kakayahan, ang paglikha ng isang laser ay naging isang bagay ng oras. Noong 1954, natanggap ng mga siyentipikong Sobyet na sina N. Basov at A. Prokhorov Nobel Prize para sa pagbuo ng maser, ang unang microwave generator na pinapagana ng ammonia. At noong 1960, ginawa ng American T. Maiman ang unang quantum generator ng optical rays, na tinawag niyang laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Ang aparato ay nagko-convert ng enerhiya sa optical radiation ng isang makitid na direksyon, i.e. light beam, isang stream ng light quanta (photon) na may mataas na konsentrasyon.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng laser

Ang phenomenon kung saan nakabatay ang operasyon ng laser ay tinatawag na stimulated, o induced, radiation ng medium. Ang mga atom ng isang partikular na sangkap ay maaaring maglabas ng mga photon sa ilalim ng pagkilos ng iba pang mga photon, habang ang enerhiya ng kumikilos na photon ay dapat na katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng atom bago at pagkatapos ng radiation.

Ang emitted photon ay magkakaugnay sa isa na naging sanhi ng paglabas, i.e. eksakto tulad ng unang photon. Bilang resulta, ang mahinang liwanag na pagkilos ng bagay sa daluyan ay pinalakas, at hindi random, ngunit sa isang ibinigay na direksyon. Ang isang sinag ng stimulated radiation ay nabuo, na tinatawag na isang laser.

Pag-uuri ng mga laser

Habang pinag-aaralan ang kalikasan at katangian ng mga laser, natuklasan ang iba't ibang uri ng mga sinag na ito. Ayon sa estado ng paunang sangkap, ang mga laser ay maaaring:

gas;
likido;
solidong estado;
sa mga libreng electron.

Sa kasalukuyan, maraming mga pamamaraan ang binuo para sa pagkuha ng laser beam:

sa tulong ng isang electric glow o arc discharge sa isang gaseous medium - gas discharge;
sa pamamagitan ng pagpapalawak ng mainit na gas at paglikha ng mga pagbaligtad ng populasyon - gas dynamic;
sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng isang semiconductor na may paggulo ng daluyan - diode o iniksyon;
sa pamamagitan ng optically pumping ang medium na may flash lamp, LED, isa pang laser, atbp.;
sa pamamagitan ng electron-beam pumping ng medium;
nuclear pumping sa pagtanggap ng radiation mula sa isang nuclear reactor;
sa tulong ng espesyal mga reaksiyong kemikal- mga kemikal na laser.

Ang lahat ng mga ito ay may sariling mga katangian at pagkakaiba, dahil sa kung saan sila ay ginagamit sa iba't ibang mga industriya.

Praktikal na paggamit ng mga laser

Sa ngayon, ang mga laser iba't ibang uri ay ginagamit sa dose-dosenang mga industriya, medisina, mga teknolohiyang IT at iba pang larangan ng aktibidad. Nakasanayan na nila ang:

pagputol at hinang ng mga metal, plastik, iba pang materyales;
pagguhit ng mga imahe, inskripsiyon at pagmamarka sa ibabaw ng mga produkto;
pagbabarena ng ultrathin hole, precision processing ng semiconductor crystalline parts;
pagbuo ng mga coatings ng produkto sa pamamagitan ng pag-spray, surfacing, surface alloying, atbp.;
paghahatid ng mga packet ng impormasyon gamit ang fiberglass;
pagganap ng mga operasyon sa kirurhiko at iba pang mga therapeutic effect;
mga kosmetikong pamamaraan para sa pagpapabata ng balat, pag-alis ng mga may sira na pormasyon, atbp.;
pag-target iba't ibang uri armas, mula sa maliliit na armas hanggang sa mga sandata ng rocket;
paglikha at paggamit ng mga pamamaraan ng holographic;
aplikasyon sa iba't ibang mga proyekto sa pananaliksik;
pagsukat ng mga distansya, mga coordinate, density ng gumaganang media, mga rate ng daloy at maraming iba pang mga parameter;
paglulunsad ng mga reaksiyong kemikal para sa pagsasagawa ng iba't ibang teknolohikal na proseso.

Marami pang mga lugar kung saan ang mga laser ay ginagamit na o makakahanap ng aplikasyon sa malapit na hinaharap.

Ang lahat ng mga materyales kung saan maaaring ibigay ang pagbaligtad ng populasyon ay maaaring gamitin bilang isang daluyan ng laser. Posible ito sa mga sumusunod na materyales:

a) libreng mga atomo, ion, molekula, ion ng mga molekula sa mga gas o singaw;

b) mga molekula ng pangulay na natunaw sa mga likido;

c) mga atomo, mga ion na naka-embed sa isang solidong katawan;

d) doped semiconductors;

e) mga libreng elektron.

Ang bilang ng media na may kakayahang makabuo ng laser radiation at ang bilang ng mga laser transition ay napakalaki. Humigit-kumulang 200 iba't ibang mga transition ng laser ang sinusunod sa elementong neon lamang. Ayon sa uri ng laser active medium, ang gas, liquid, semiconductor at solid-state lasers ay nakikilala. Bilang isang pag-usisa, dapat tandaan na ang hininga ng tao, na binubuo ng carbon dioxide, nitrogen at singaw ng tubig, ay isang angkop na aktibong daluyan para sa isang mahinang CO 2 laser, at ang ilang mga uri ng gin ay nakabuo na ng laser radiation, dahil naglalaman sila ng sapat. dami ng quinine na may asul na fluorescence.

Ang mga linya ng henerasyon ng laser ay kilala mula sa rehiyon ng ultraviolet ng spectrum (100 nm) hanggang sa mga wavelength ng milimetro sa malayong hanay ng infrared. Ang mga laser ay maayos na lumipat sa mga maser. Ang masinsinang pananaliksik ay isinasagawa sa larangan ng mga laser sa hanay ng mga X-ray wave (Larawan 16). Ngunit dalawa o tatlong dosenang uri lamang ng laser ang nakakuha ng praktikal na kahalagahan. Ang CO 2 lasers, argon at krypton ion lasers, CW at pulsed Nd:YAG lasers, CW at pulsed dye lasers, He-Ne lasers at GaAs lasers ay natagpuan na ngayon ang pinakamalawak na medikal na aplikasyon. Ang mga excimer laser, frequency doubling Nd:YAG lasers, Er:YAG lasers at metal vapor lasers ay lalong ginagamit sa medisina.

kanin. 16. Mga uri ng laser na karaniwang ginagamit sa medisina.

Bilang karagdagan, ang laser active media ay maaaring makilala sa pamamagitan ng kung sila ay bumubuo ng mga discrete laser lines, i.e. sa isang napakakitid na tiyak na hanay ng mga wavelength, o patuloy na nagliliwanag sa malawak na hanay ng mga wavelength. Ang mga libreng atom at ion ay mayroong, dahil sa kanilang mahusay na natukoy na mga antas ng enerhiya, mga discrete na linya ng laser. Maraming solid-state laser ang naglalabas din sa mga discrete na linya (ruby lasers, Nd:YAG lasers). Gayunpaman, ang mga solid-state na laser ay binuo din (mga color-center laser, alexandrite, diamond laser), na ang mga wavelength ng radiation ay maaaring patuloy na mag-iba sa isang malaking spectral na rehiyon. Nalalapat ito lalo na sa mga laser ng dye, kung saan ang pamamaraan na ito ay umunlad sa pinakamalaking lawak. Dahil sa istraktura ng banda ng mga antas ng enerhiya ng semiconductors, ang mga semiconductor laser ay wala ring discrete na malinaw na mga linya ng henerasyon ng laser.

Ang pagbaligtad ng populasyon sa mga laser ay nilikha sa iba't ibang paraan. Kadalasan, ginagamit ang light irradiation (optical pumping), electric discharge, electric current, at mga reaksiyong kemikal para dito.

Upang lumipat mula sa amplification mode patungo sa light generation mode, ang laser, tulad ng sa anumang generator, ay gumagamit ng feedback. Ang feedback sa laser ay isinasagawa gamit ang isang optical resonator, na sa pinakasimpleng kaso ay isang pares ng mga parallel na salamin.

Ang diagram ng eskematiko ng laser ay ipinapakita sa fig. 6. Naglalaman ito ng aktibong elemento, resonator, at pinagmumulan ng bomba.

Ang laser ay gumagana tulad ng sumusunod. Una, ang isang pumping source (halimbawa, isang malakas na flash lamp), na kumikilos sa gumaganang sangkap (aktibong elemento) ng laser, ay lumilikha ng isang pagbaligtad ng populasyon sa loob nito. Pagkatapos ang baligtad na daluyan ay nagsisimulang kusang naglalabas ng liwanag na quanta. Sa ilalim ng pagkilos ng kusang paglabas, nagsisimula ang proseso ng stimulated emission ng liwanag. Dahil sa inversion ng populasyon, ang prosesong ito ay may mala-avalanche na karakter at humahantong sa isang exponential amplification ng liwanag. Ang mga stream ng liwanag na naglalakbay sa mga lateral na direksyon ay mabilis na umaalis sa aktibong elemento nang walang oras upang makakuha ng makabuluhang enerhiya. Kasabay nito, ang isang light wave na nagpapalaganap sa kahabaan ng axis ng resonator ay paulit-ulit na dumadaan sa aktibong elemento, na patuloy na nakakakuha ng enerhiya. Dahil sa bahagyang pagpapadala ng liwanag ng isa sa mga salamin ng resonator, ang radiation ay output sa labas, na bumubuo ng isang laser beam.

Fig.6. Schematic diagram ng laser. 1 - aktibong elemento; 2- pumping system;

3- optical resonator; 4 - nabuong radiation.

§5. Ang aparato at pagpapatakbo ng isang helium-neon laser

Fig.7. Schematic diagram ng isang helium - neon laser.

isa). Ang laser ay binubuo ng isang gas-discharge tube T na may haba na ilang sampu-sampung cm hanggang 1.5-2m at isang panloob na diameter na 7-10mm. Ang tubo ay puno ng pinaghalong helium (presyon ~1mmHg) at neon (presyon ~0.1mmHg). Ang mga dulo ng tubo ay sarado na may plane-parallel glass o quartz plate na P 1 at P 2 na naka-install sa isang anggulo ng Brewster sa axis nito. Lumilikha ito ng linear polarization ng laser radiation na may electric vector na kahanay sa plane of incidence. Ang mga salamin S 1 at S 2 , sa pagitan ng kung saan inilalagay ang tubo, ay karaniwang ginagawang spherical na may mga multilayer na dielectric coatings. Mayroon silang mataas na reflectivity at halos hindi sumisipsip ng liwanag. Ang transmittance ng isang salamin, kung saan ang radiation ng laser ay higit na lumalabas, ay karaniwang 2%, habang ang sa isa pang salamin ay mas mababa sa 1%. Ang isang pare-parehong boltahe ng 1-2 kV ay inilalapat sa pagitan ng mga electrodes ng tubo. Ang cathode K ng tubo ay maaaring malamig, ngunit upang madagdagan ang kasalukuyang naglalabas, ang mga tubo na may guwang na cylindrical anode ay ginagamit din, ang katod na kung saan ay pinainit ng isang mababang boltahe na kasalukuyang pinagmumulan. Ang kasalukuyang naglalabas sa tubo ay ilang sampu-sampung milliamps. Ang laser ay bumubuo ng pulang ilaw na may wavelength na =632.8 nm at maaari ding bumuo ng infrared radiation na may wavelength na 1.15 at 3.39 µm (tingnan ang Fig. 2). Ngunit pagkatapos ay kinakailangan na magkaroon ng mga dulong bintana na transparent sa infrared na ilaw at mga salamin na may mataas na koepisyent ng pagmuni-muni sa infrared na rehiyon.

2). Sa mga laser, ginagamit ang stimulated emission upang makabuo ng magkakaugnay na light wave. Ang ideya nito ay unang ipinahayag noong 1957 ni A.M. Prokhorov, N.G. Basov at, nang nakapag-iisa sa kanila, Ch. Towns. Upang gawing isang generator ng mga light vibrations ang aktibong sangkap ng laser, kinakailangan na ipatupad ang feedback. Nangangahulugan ito na ang bahagi ng ibinubuga na ilaw ay dapat palaging bumalik sa zone ng aktibong sangkap at maging sanhi ng stimulated na paglabas ng mas maraming bagong atoms. Upang gawin ito, ang aktibong sangkap ay inilalagay sa pagitan ng dalawang salamin S 1 at S 2 (tingnan ang Fig. 7), na mga elemento ng feedback. Ang isang sinag ng liwanag, na sumasailalim sa maraming pagmuni-muni mula sa mga salamin S 1 at S 2, ay dadaan nang maraming beses sa aktibong substansiya, habang pinalalakas bilang resulta ng sapilitang paglipat mula sa mas mataas na antas ng enerhiya " 3 patungo sa mas mababang antas  " 1 . Nagreresulta ito sa isang bukas na resonator, kung saan ang mga salamin ay nagbibigay ng maraming daanan (at sa gayon ay pagpapalakas) ng liwanag na pagkilos ng bagay sa aktibong daluyan. Sa isang tunay na laser, ang ilan sa liwanag ay dapat na ibinubuga mula sa aktibong daluyan hanggang sa labas upang magamit. Para sa layuning ito, ang isa sa mga salamin, halimbawa S 2, ay ginawang translucent.

Ang ganitong resonator ay hindi lamang magpapalaki ng liwanag, kundi pati na rin mag-collimate at mag-monochromatize nito. Para sa pagiging simple, ipinapalagay muna namin na ang mga salamin S 1 at S 2 ay perpekto. Pagkatapos ang mga sinag, na kahanay sa axis ng silindro, ay dadaan sa aktibong substansiya pabalik-balik nang walang limitasyong bilang ng beses. Gayunpaman, ang mga pahilig na beam ay hahampas sa gilid na dingding ng silindro, kung saan sila ay mawawala o makakatakas. Kaya't malinaw na ang mga sinag na nagpapalaganap na kahanay sa axis ng silindro ay mapapalaki nang husto. Ipinapaliwanag nito ang collimation ng mga sinag. Siyempre, ang mahigpit na parallel ray ay hindi maaaring makuha. Ito ay pinipigilan ng diffraction ng liwanag. Ang anggulo ng divergence ng mga beam, sa prinsipyo, ay hindi maaaring mas mababa sa limitasyon ng diffraction  D, saan D- lapad ng sinag. Gayunpaman, sa pinakamahusay na mga gas laser ang limitasyong ito ay halos naabot.

Ipaliwanag natin ngayon kung paano nangyayari ang monochromatization ng liwanag. Hayaan Z ay ang haba ng optical path sa pagitan ng mga salamin. Kung ang 2 Z= m , ibig sabihin, sa haba Z umaangkop sa isang integer na bilang ng kalahating alon m, pagkatapos ay ang liwanag na alon, na umaalis sa S 1, pagkatapos ng pagpasa pabalik-balik ay babalik sa S 1 sa parehong yugto. Ang naturang alon ay lalakas sa panahon ng pangalawa at lahat ng kasunod na mga sipi sa pamamagitan ng aktibong sangkap sa pasulong at pabalik na direksyon. pinakamalapit na wavelength  , kung saan ang parehong amplification ay dapat mangyari, ay matatagpuan mula sa kundisyon 2 Z=(m 1)( ). Dahil dito,  =  / m, yan ay  , gaya ng inaasahan, ay kasabay ng spectral na rehiyon ng Fabry-Perot interferometers. Isaalang-alang natin ngayon na ang mga antas ng enerhiya " 3 at  " 1 at ang mga parang multo na linya na lumilitaw sa panahon ng mga paglipat sa pagitan ng mga ito ay hindi walang katapusan na manipis, ngunit may isang may hangganan na lapad. Ipagpalagay natin na ang lapad ng spectral line na ibinubuga ng mga atom ay mas maliit kaysa sa dispersed na rehiyon ng device. Pagkatapos, sa lahat ng mga wavelength na ibinubuga ng mga atomo, ang kundisyon 2 Z= m maaari lamang matugunan ang isang wavelength  . Ang naturang alon ay lalakas hangga't maaari. Ito ay humahantong sa isang pagpapaliit ng mga parang multo na mga linya na nabuo ng laser, iyon ay, sa monochromatization ng liwanag.

Ang mga pangunahing katangian ng isang laser light beam:

monochromaticity;

spatial at temporal na pagkakaugnay;

mataas na intensidad;

mababang beam divergence.

Dahil sa mataas na pagkakaugnay nito, ang helium-neon laser ay nagsisilbing isang mahusay na pinagmumulan ng tuluy-tuloy na monochromatic radiation para sa pag-aaral ng lahat ng uri ng interference at diffraction phenomena, ang pagpapatupad kung saan sa maginoo na pinagmumulan ng liwanag ay nangangailangan ng paggamit ng mga espesyal na kagamitan.

Isaalang-alang muna natin ang isang apat na antas na laser na may, para sa pagiging simple, isang pump absorption band lamang (band 3 sa Fig. 5.1). Gayunpaman, ang kasunod na pagsusuri ay mananatiling hindi magbabago kahit na haharapin natin ang higit sa isang banda ng pagsipsip ng bomba (o antas), sa kondisyon na ang pagpapahinga mula sa mga banda na ito hanggang sa itaas na antas ng laser 2 ay napakabilis. Magpakilala

ang mga populasyon ng apat na antas 0, 1, 2, at 3, ayon sa pagkakabanggit, sa pamamagitan ng Ipinapalagay namin na ang laser ay bumubuo lamang sa isang resonator mode. Hayaan ang kabuuang bilang ng mga photon sa resonator. Ipagpalagay na ang mga transition sa pagitan ng mga antas 3 at 2 at mga antas 1 at 0 ay mabilis, maaari naming ilagay ang . Kaya, mayroon kaming mga sumusunod na equation ng rate:

Sa equation (5.1a), ang dami ay ang kabuuang bilang ng mga aktibong atomo (o mga molekula). Sa equation (5.16), ang termino ay isinasaalang-alang ang pumping [tingnan equation (1.10)]. Ang mga tahasang expression para sa pumping rate para sa optical at electrical pumping ay nakuha na sa Chap. 3. Sa parehong equation, ang termino ay tumutugma sa stimulated emission. Ang bilis ng stimulated emission gaya ng ipinapakita sa Chap. Ang 2 ay talagang proporsyonal sa parisukat ng electric field ng electromagnetic wave at samakatuwid ay proporsyonal. Samakatuwid, ang coefficient B ay maaaring ituring bilang ang bilis ng stimulated emission bawat photon sa mode. Ang dami ay ang buhay ng itaas na antas ng laser at, sa pangkalahatang kaso ay tinutukoy ng expression (2.123). Sa equation (5.1 c), ang termino ay tumutugma sa rate ng pagbabago sa bilang ng mga photon dahil sa stimulated emission. Sa katunayan, tulad ng nakita na natin, ang termino sa equation (5.16) ay ang rate ng pagbaba ng populasyon dahil sa stimulated emission. Dahil ang bawat pagkilos ng stimulated emission ay humahantong sa paglitaw ng isang photon, ang rate ng pagtaas sa bilang ng mga photon ay dapat na katumbas ng kung saan ang volume na inookupahan ng mode sa loob ng aktibong medium (ang eksaktong kahulugan ng volume ng mode ay ibinigay sa ibaba ). Sa wakas, ang termino [kung saan ang photon lifetime (tingnan ang Seksyon 4.3)] ay isinasaalang-alang ang pagbaba sa bilang ng mga photon dahil sa pagkalugi sa resonator.

kanin. 5.1. Scheme ng mga antas ng enerhiya ng isang apat na antas ng laser.

Ang isang mahigpit na kahulugan ng dami ng mode ay nangangailangan ng isang detalyadong talakayan, na ibinigay sa Appendix B. Bilang resulta, mayroon tayong sumusunod na kahulugan

kung saan ang distribusyon ng electric field sa loob ng resonator, ang E ay ang pinakamataas na halaga ng field na ito, at ang integration ay ginagawa sa volume na inookupahan ng aktibong medium. Kung ang isang resonator na may dalawang spherical na salamin ay isinasaalang-alang, kung gayon ang ratio ay katumbas ng tunay na bahagi ng pagpapahayag (4.95). Angkop na banggitin bilang isang halimbawa ang isang simetriko resonator na binubuo ng dalawang salamin na ang radii ng curvature ay mas malaki kaysa sa haba ng resonator. Pagkatapos ang laki ng mode spot ay magiging humigit-kumulang pare-pareho sa buong haba ng resonator at katumbas ng halaga sa gitna ng resonator. Katulad nito, ang radius ng curvature ng equiphase surface ay magiging sapat na malaki at ang wave fronts ay maituturing na flat. Pagkatapos ay mula sa expression (4.95) para sa mode na nakuha namin

dito namin itinakda Mula sa mga expression (5.2) at (5.3) mayroon kami

saan ang haba ng aktibong daluyan. Kapag hinango ang expression na ito, isinasaalang-alang namin ang katotohanan na isang mabagal na pagkakaiba-iba ng function kumpara sa upang mailagay namin Kaya, ang hitsura ng isang quadruple sa denominator ng expression (5.4) ay ang resulta ng sumusunod na dalawang pangyayari: 1) ang pagkakaroon ng kadahilanan 1/2 ay dahil sa ang katunayan na ang mode ay may katangian ng isang nakatayong alon, kaya alinsunod sa itaas na pangangatwiran; 2) ang isa pang kadahilanan na 1/2 ay lilitaw dahil sa katotohanan na ang laki ng lugar para sa amplitude ng patlang E, habang ang laki ng lugar para sa intensity ng patlang (ibig sabihin, malinaw naman, ay ilang beses na mas maliit.

Bago ipagpatuloy ang aming pagsasaalang-alang, dapat tandaan na ang expression (5.1c) ay nagpapabaya sa terminong isinasaalang-alang ang kusang radiation. Sa katunayan, gaya ng nabanggit sa Chap. 1, ang henerasyon ay nangyayari dahil sa kusang paglabas; samakatuwid, dapat na asahan na ang mga equation (5.1) ay hindi nagbibigay ng tamang paglalarawan ng simula ng henerasyon. Sa katunayan, kung sa equation (5.1 c) ilalagay namin sa sandali ng oras, pagkatapos ay makuha namin, samakatuwid, ang henerasyon ay hindi maaaring mangyari. Upang isaalang-alang ang kusang paglabas, maaaring subukang muli, batay sa simpleng kondisyon balanse, simulan ang pagsasaalang-alang sa isang termino na sa equation (5.16) ay kasama sa termino. Sa kasong ito, maaaring mukhang

na sa equation (5.1c) ang termino, na isinasaalang-alang ang spontaneous radiation, ay dapat magkaroon ng sumusunod na anyo: Gayunpaman, hindi ito totoo. Sa katunayan, tulad ng ipinapakita sa Sect. 2.4.3 [tingnan, sa partikular, expression (2.115)], ang kusang radiation ay ipinamamahagi sa isang tiyak na pagitan ng dalas at ang hugis ng linya nito ay inilarawan ng function Gayunpaman, sa equation (5.1 c), ang termino na isinasaalang-alang ang spontaneous Dapat isama lamang ng radiation ang bahaging iyon ng radiation na nag-aambag sa itinuturing na mode. Ang tamang expression para sa terminong ito ay maaari lamang makuha mula sa isang quantum mechanical na pagsasaalang-alang ng electromagnetic field ng resonator mode. Ang resulta na nakuha ay napakasimple at nakapagtuturo. Sa kaso kapag ang kusang radiation ay isinasaalang-alang, ang equation (5.1 c) ay binago sa anyo

Ang lahat ng ito ay tila nagdagdag kami ng "dagdag na photon" sa terminong nauugnay sa pinasiglang paglabas. Gayunpaman, para sa kapakanan ng pagiging simple, hindi namin ipapakilala ang ganoong karagdagang termino na may kaugnayan sa kusang paglabas sa mga sumusunod, ngunit sa halip ay ipagpalagay na sa unang pagkakataon ay isang maliit na bilang ng mga photon ang naroroon na sa resonator. Gaya ng makikita natin, ang pagpapakilala ng maliit na bilang ng mga photon na ito, na kinakailangan lamang para sa paglitaw ng henerasyon, sa katunayan, ay hindi nakakaapekto sa kasunod na pagsasaalang-alang.

Isaalang-alang natin ngayon ang derivation ng mga tahasang expression para sa quantity B, na pumapasok sa mga equation (5.16) at (5.1 c). Ang isang mahigpit na expression para sa dami na ito ay muling hinango sa Appendix B. Para sa karamihan ng mga praktikal na layunin, ang isang tinatayang expression ay angkop, na maaaring makuha mula sa mga simpleng pagsasaalang-alang. Upang gawin ito, isinasaalang-alang namin ang isang resonator na may haba kung saan mayroong isang aktibong daluyan na may haba na may isang refractive index. Maaari naming ipagpalagay na ang resonator mode ay nabuo sa pamamagitan ng isang superposisyon ng dalawang alon na nagpapalaganap sa magkasalungat na direksyon. Hayaan akong maging intensity ng isa sa mga alon na ito. Alinsunod sa expression (1.7), kapag ang isang alon ay dumaan sa isang layer ng isang aktibong medium, ang intensity nito ay nagbabago ng halaga kung saan ang a ay ang transisyon na cross section sa dalas ng itinuturing na resonator mode. Tukuyin natin ngayon ang mga sumusunod na dami: at ang transmission coefficient ng dalawang resonator mirror sa mga tuntunin ng kapangyarihan; - ang kaukulang mga kadahilanan ng pagkawala ng kamag-anak sa mga salamin; 3) Г, - kamag-anak na koepisyent ng panloob na pagkalugi sa bawat pass. Pagkatapos ay ang pagbabago sa intensity para sa isang kumpletong pagpasa ng resonator

Narito at ang mga logarithmic na pagkalugi sa bawat pass dahil sa pagpapadala ng mga salamin, at ang mga panloob na logarithmic na pagkalugi. Para sa maikli, tatawagan namin ang y, at pagkalugi ng transmission, at - panloob na pagkalugi. Tulad ng magiging malinaw sa kung ano ang sumusunod, dahil sa exponential na katangian ng laser amplification, ang pag-record na may logarithmic na pagkalugi ay mas maginhawa para sa kumakatawan sa mga pagkalugi sa mga laser. Gayunpaman, dapat tandaan na bagama't para sa maliliit na halaga ng transmission, hindi ito totoo para sa malalaking halaga ng transmission. Magbigay tayo ng isang halimbawa: kung ilalagay natin pagkatapos ay makukuha natin i.e., habang para sa mayroon tayo Dapat ding tandaan na ang paggamit ng mga expression (5.7) posible upang matukoy ang kabuuang pagkawala sa bawat pass:

Nang matukoy ang logarithmic losses , pinapalitan namin ang mga expression (5.7) at (5.8) sa (5.6). Pagpapakilala ng karagdagang kondisyon

ang exponential function sa (5.6) ay maaaring palawakin sa isang serye ng kapangyarihan, at nakukuha namin

Hatiin natin ang parehong bahagi ng expression na ito sa pagitan ng oras kung saan ang light wave ay gumagawa ng kumpletong pagpasa ng resonator,

ibig sabihin, sa pamamagitan ng halaga kung saan tinutukoy ng expression

Gamit ang approximation, nakukuha namin

Dahil ang bilang ng mga photon sa resonator ay proporsyonal sa intensity, ang equation (5.12) ay maihahambing sa (5.1c). Sa kasong ito, nakukuha namin ang mga sumusunod na expression:

Tatawagin natin ang halagang V bilang epektibong volume ng resonator mode. Tandaan na ang formula (5.136) ay nagsa-generalize kung ano ang nakuha sa Sec. 4.3 expression para sa buhay ng isang photon. Bilang karagdagan, ang expression (5.14) para sa volume ng resonator ay wasto lamang sa humigit-kumulang. Sa katunayan, ipinapakita ng Appendix B na sa (5.13a) isang mas mahigpit na expression para sa V ang dapat gamitin, ibig sabihin

dito ang unang integral ay kinuha sa dami ng aktibong daluyan, at ang pangalawa - sa natitirang dami ng resonator. Napansin namin, gayunpaman, na para sa isang simetriko resonator na may mga salamin ng isang malaking radius ng curvature, ang parehong mga expression (5.14) at (5.15) ay nagbibigay

Hanggang ngayon ang aming pagsasaalang-alang ay nakadirekta sa pagbibigay-katwiran ng equation (5.1c) at sa derivation ng mga tahasang expression para sa B at sa mga tuntunin ng sinusukat na mga parameter ng laser. Gayunpaman, dapat tandaan na ipinahiwatig din namin ang mga limitasyon ng kakayahang magamit ng equation (5.1c). Sa katunayan, kapag nagmula ang equation (5.12), kinailangan naming gamitin ang approximation (5.9), ayon sa kung saan maliit ang pagkakaiba sa pagitan ng gain at loss. Para sa isang cw laser, ang kundisyong ito ay palaging nasiyahan, dahil sa isang steady state na proseso (tingnan ang Seksyon 5.3.1). Ngunit para sa isang pulsed laser, ang kundisyon (5.9) ay magiging wasto lamang kapag ang laser ay gumagana sa isang maliit na labis sa threshold. Kung ang kondisyon (5.9) ay hindi nasiyahan, ang mga equation

Pagsusulit

LASERS BATAY SA CONDENSED MATTER

Panimula

2.2. ruby laser

3.2. neodymium laser

3.7. Mga fiber laser

5. Semiconductor lasers

5.1. Prinsipyo ng pagpapatakbo

5.2. DHS lasers

5.3. DFB at VRPI lasers

BIBLIOGRAPIYA

Panimula

Ang mga laser batay sa mga sangkap sa isang condensed state ay kinabibilangan ng mga laser na ang aktibong medium ay nilikha:

1) sa mga solido ah - higit sa lahat sa mga dielectric na kristal at baso, kung saan ang mga aktibong particle ay mga ionized na atom ng actinides, rare-earth at iba pang mga elemento ng transition na pinagsama ang kristal, pati na rin sa mga kristal na may mga katangian ng semiconductor,

2) sa mga likido, kung saan ipinakilala ang mga aktibong particle - mga molekula ng mga organikong tina.

Sa mga media, stimulated laser radiation arises dahil sasapilitan radiativemga transition (tingnan ang Seksyon 1) sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng mga activator ions o mga termino ng mga molekula. Sa mga istruktura ng semiconductor, ang stimulated emission ay nangyayari bilang isang resulta ng recombination ng mga libreng electron at mga butas. Kabaligtaran sa mga gas laser (tingnan ang Seksyon 4), ang pagbabaligtad ng populasyon sa solid-state at liquid laser ay palaging nalilikha sa mga transition na malapit sa ground energy state ng aktibong particle.

Dahil ang dielectric crystals ay hindi nagsasagawa ng electric current, para sa kanila, pati na rin para sa likidong media, ang tinatawag na.optical pumping pumping ng laser transition sa pamamagitan ng optical radiation (liwanag) mula sa isang auxiliary source.

Sa mga semiconductor laser, ang electric current pumping ay mas madalas na ginagamit ( iniksyon kasalukuyang) na dumadaloy sa semiconductor sa pasulong na direksyon, mas madalas - iba pang mga uri ng pumping: optical pumping, o pumping sa pamamagitan ng electron bombardment.

1. Mga partikular na tampok ng optical pumping ng laser active medium

Ang isang mahalagang katangian ng OH ay nito pagpili , lalo na: sa pamamagitan ng pagpili ng wavelength ng OH radiation, posible na piliing pukawin ang nais na estado ng dami ng mga aktibong particle. Hanapin natin ang mga kondisyon na tinitiyak ang pinakamataas na kahusayan ng proseso ng paggulo ng mga aktibong particle dahil sa optical pumping (OH), bilang isang resulta kung saan ang aktibong particle ay nakakaranas ng quantum transition mula sa estado ng enerhiya ' i ' sa isang nasasabik na estado na mas mataas sa antas ng enerhiya' k '. Upang gawin ito, ginagamit namin ang expression para sa lakas ng radiation ng pinagmulan ng OH na hinihigop ng mga aktibong particle ng irradiated medium (tingnan ang Seksyon 1.9)

. (1)

Kasama sa Eq. (1) ang frequency dependence ng spectral energy density ng radiation ng OH source at ang function ng hugis ng absorption line ng medium, i.e. frequency dependence nito (form factor).

Malinaw, ang bilis ng pagsipsip at ang dami ng nasipsip na kapangyarihan ay magiging pinakamataas kapag:

1) ang konsentrasyon ng mga particle sa estado ' i ' ang magiging pinakamalaki, i.e. Ang OH ay epektibo sa mataas na density ng mga aktibong particle, ibig sabihin, mula sa buong iba't ibang media - para sa media na nasa condensed state (solids at liquids);

2) Sa estado ng TDS, ang pamamahagi ng mga particle sa mga estado na may iba't ibang kahulugan Ang panloob na (potensyal) na enerhiya ay inilarawan ng pormula ng Boltzmann, ibig sabihin: ang lupa (pinakamababang) estado ng enerhiya ng particle at ang ensemble sa kabuuan ay may pinakamataas na populasyon. Ito ay sumusunod na ang estado i ' ay dapat ang ground energy state ng particle;

3) para sa pinaka kumpletong pagsipsip ng enerhiya ng pinagmulan ng OH (ang pinakamalaking Δ Pik ) ito ay kanais-nais na magkaroon ng isang kapaligiran na may pinakamataas na halaga absorption coefficient sa quantum transition: (tingnan ang f-lu (1.35)), at dahil proporsyonal ito sa Einstein coefficient B k i , a B ki A ki (tingnan ang f-lu (1.11, b)), ito ay kanais-nais na ang absorbing transition ay "pinayagan" at "malagong";

4) Ito ay kanais-nais na ang lapad ng radiation spectrum ng pump source ay hindi lalampas sa lapad ng absorption contour ng mga aktibong particle. Kapag pumped sa pamamagitan ng kusang paglabas ng mga lamp, ito, bilang isang panuntunan, ay hindi maaaring makamit. Ang mainam mula sa puntong ito ay " magkakaugnay ” pumping – pumping sa pamamagitan ng monochromatic laser radiation, kung saan ang buong linya (buong spectrum) ng OH radiation ay “bumagsak” sa absorption contour. Ang ganitong rehimen ng pagsipsip ay isinasaalang-alang namin sa Seksyon 1.9;

5) malinaw na ang kahusayan ng OH ay magiging mas mataas, mas malaki ang bahagi ng radiation ay masisipsip ng mga aktibong particle sa pamamagitan ng isang quantum transition na may pumping ng nais na antas. Kaya, kung ang aktibong daluyan ay isang kristal (matrix) na doped na may mga aktibong particle, kung gayon ang matrix ay dapat piliin upang hindi ito sumipsip ng OH radiation, i.e. upang ang matrix ay maging "transparent" para sa radiation ng bomba, na hindi kasama, bukod sa iba pang mga bagay, ang pag-init ng daluyan. Kasabay nito, ang pangkalahatang kahusayan ng sistemang "OH source–laser active medium" ay kadalasang natutukoy sa malaking lawak ng kahusayan ng conversion enerhiyang elektrikal, naka-embed sa pinagmumulan ng bomba, sa radiation nito;

6) Sa seksyon 1.9 ipinakita na sa sistema ng quantum na may dalawang antas ng enerhiya, sa panimula imposibleng makakuha ng pagbaligtad ng populasyon para sa anumang mga halaga ng intensity ng panlabas na radiation (i.e., optical pumping): sa →∞, posible lamang na ipantay ang mga populasyon ng mga antas.

Samakatuwid, upang mag-bomba ng isang quantum laser transition na may optical radiation at lumikha ng isang pagbaligtad ng populasyon dito, ang aktibong media na may isa o dalawang pandiwang pantulong na antas ng enerhiya ay ginagamit, na, kasama ang dalawang antas ng paglipat ng laser, ay bumubuo ng tatlo o apat na antas. scheme (istraktura) ng mga antas ng enerhiya ng aktibong daluyan.

2. Quantum device na may optical pumping, na tumatakbo ayon sa "three-level scheme"

2.1. Teoretikal na pagsusuri tatlong antas na pamamaraan. Sa gayong pamamaraan (Larawan 1), ang mas mababang antas ng laser na "1" ay ang estado ng enerhiya sa lupa ng grupo ng mga particle, ang itaas na antas ng laser na "2" ay medyo matagal na antas, at ang antas na "3", na nauugnay sa antas na "2" sa pamamagitan ng isang mabilis na nonradiative transition, aypantulong. Ang optical pumping ay gumagana sa channel "1" → "3".

Hanapin natin ang kundisyon para sa pagkakaroon ng inversion sa pagitan ng mga antas na "2" at "1". Ipagpalagay na ang mga istatistikal na timbang ng mga antas ay pareho g 1 = g 2 = g 3 , isinusulat namin ang sistema ng mga equation ng kinetic (balanse) para sa mga antas na "3" at "2" sa nakatigil na pagtatantya, pati na rin ang kaugnayan para sa bilang ng mga particle sa mga antas:

(2)

kung saan n 1 , n 2 , n 3 ay mga konsentrasyon ng butil sa antas 1,2 at 3, Wn 1 at Wn 3 ay ang mga rate ng pagsipsip at sapilitan na paglabas sa mga paglipat sa pagitan ng mga antas "1" at "3" sa ilalim ng pagkilos ng radiation ng bomba, ang posibilidad na kung saan ay W; wik ay ang mga posibilidad ng paglipat sa pagitan ng mga antas, N

Mula sa (2) mahahanap natin ang antas ng populasyon n 2 at n 1 bilang isang function ng W , at ang kanilang pagkakaiba Δ n sa anyo

, (3)

na tumutukoy sa unsaturated gainα 0 ng ensemble ng mga particle sa paglipat "2" → "1". Upangα 0 >0, kailangan na, i.e. ang numerator sa (3) ay dapat na positibo:

, (4)

kung saan W noon ay ang antas ng threshold ng pumping. Simula noon W noon >0, pagkatapos ay sinusundan iyon w 32 > w 21 , ibig sabihin. ang posibilidad ng pumping level "2" sa pamamagitan ng relaxation transitions mula sa level "3" ay dapat na mas malaki kaysa sa probabilidad ng relaxation nito sa state "1".

Kung

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

pagkatapos ay mula sa (3) makuha natin ang: . At sa wakas, kung W >> w 21 , kung gayon ang inversion Δ n ay magiging: Δ n ≈ n 2 ≈ N , ibig sabihin. sa antas na "2" maaari mong "kolektahin" ang lahat ng mga particle ng kapaligiran. Tandaan na ang mga relasyon (5) para sa mga rate ng pagpapahinga ng mga antas ay tumutugma sa mga kondisyon para sa pagbuo ng mga spike (tingnan ang Seksyon 3.1).

Kaya, sa isang tatlong antas na sistema na may optical pumping:

1) ang pagbabaligtad ay posible kung w 32 >> w 21 at maximum kung kailan w 32 >> w 31 ;

2) ang pagbabaligtad ay nangyayari kapag W > W noon , ibig sabihin. pagsusuot ng paglikha karakter ng threshold;

3) para sa mababang w 21 ang mga kondisyon ay nilikha para sa "spike" na rehimen ng libreng henerasyon ng laser.

2.2. ruby laser. Ang solid-state laser na ito ay ang unang laser na gumana sa nakikitang wavelength range (T. Meiman, 1960). Ang Ruby ay isang sintetikong kristal A l 2 O 3 sa pagbabago ng corundum (matrix) na may admixture ng 0.05% activator ions Cr3+ (konsentrasyon ng ion ~1.6∙10 19 cm 3 ), at tinutukoy bilang A l 2 O 3 : Cr 3+ . Ang ruby laser ay gumagana ayon sa isang three-level scheme na may OH (Larawan 2a). Ang mga antas ng laser ay mga antas ng elektroniko Cr3+ : Ang mas mababang antas ng laser na "1" ay ang estado ng enerhiya sa lupa Cr 3+ sa A l 2 O 3 , ang itaas na antas ng laser na "2" ay isang pangmatagalang antas ng metastable na mayτ 2 ~10 3 Sa. Ang mga antas na "3a" at "3b" aypantulong. Ang mga transition na "1" → "3a" at "1" → "3b" ay nabibilang sa asul (λ0.41 μm) at "berde" (λ0.56 μm) na mga bahagi ng spectrum, at malawak (na may Δλ ~50nm) contour ng pagsipsip (mga guhit).

kanin. 2. Ruby laser. (a) Diagram ng antas ng enerhiya Cr 3+ sa Al 2 O 3 (corundum); (b ) ay isang structural diagram ng isang laser na tumatakbo sa isang pulsed regime na may Q-switching. 1 - ruby rod, 2 - pump lamp, 3 - elliptical reflector, 4a - fixed resonator mirror, 4b - rotating resonator mirror modulating ang resonator Q-factor, C n - imbakan kapasitor R - singilin ang risistor, " Kn » - pindutan upang simulan ang kasalukuyang pulso sa pamamagitan ng lampara; ipinapakita ang pumapasok at labasan ng tubig na nagpapalamig.

Ang paraan ng optical pumping ay nagbibigay ng piling populasyon ng mga pantulong na antas na "3a" at "3b" Cr3+ sa pamamagitan ng channel "1"→"3" ng mga ions Cr3+ kapag hinihigop ng mga ion Cr3+ radiation mula sa isang pulsed xenon lamp. Pagkatapos, sa medyo maikling panahon (~10 8 c) mayroong isang nonradiative transition ng mga ion na ito mula sa "3a" at "3b" hanggang sa mga antas na "2". Ang enerhiya na inilabas sa kasong ito ay na-convert sa mga vibrations ng kristal na sala-sala. Na may sapat na densidad ρ ng enerhiya ng radiation ng pinagmumulan ng bomba: kapag, at sa paglipat "2" → "1" mayroong isang pagbaligtad ng populasyon at pagbuo ng radiation sa pulang rehiyon ng spectrum sa λ694.3 nm at λ692 .9 nm. Ang halaga ng threshold ng pumping, na isinasaalang-alang ang mga istatistikal na timbang ng mga antas, ay tumutugma sa paglipat sa antas "2" ng humigit-kumulang ⅓ ng lahat ng mga aktibong particle, na, kapag pumped mula sa λ0.56 μm, ay nangangailangan ng tiyak na enerhiya ng radiation E pore > 2J / cm 3 (at power P pore > 2 kW / cm 3 sa tagal ng pump pulseτ ≈10 3 s ). Ang ganitong mataas na power input sa lamp at ang ruby rod sa nakatigil na OH ay maaaring humantong sa pagkasira nito; samakatuwid, ang laser ay nagpapatakbo sa isang pulsed mode at nangangailangan ng masinsinang paglamig ng tubig.

Ang laser scheme ay ipinapakita sa fig. 2b. Ang isang pump lamp (flash lamp) at isang ruby rod upang madagdagan ang pumping efficiency ay matatagpuan sa loob ng isang reflector na may cylindrical na panloob na ibabaw at isang cross section sa anyo ng isang ellipse, at ang lampara at baras ay matatagpuan sa mga focal point. ng ellipse. Bilang resulta, ang lahat ng radiation na lumalabas sa lampara ay nakatutok sa baras. Ang isang lamp light pulse ay nangyayari kapag ang isang kasalukuyang pulso ay dumaan dito sa pamamagitan ng pagdiskarga ng isang storage capacitor sa sandaling ang mga contact ay sarado na may " Kn ". Ang nagpapalamig na tubig ay pumped sa loob ng reflector. Ang enerhiya ng laser radiation sa bawat pulso ay umaabot sa ilang joules.

Ang pulse mode ng operasyon ng laser na ito ay maaaring isa sa mga sumusunod (tingnan ang Seksyon 3):

1) mode na "libreng henerasyon" sa mababang rate ng pag-uulit ng pulso (karaniwang 0.1 ... 10 Hz);

2) "Q-switched" mode, kadalasang optical-mechanical. Sa fig. 2b, ang Q-switching ng OOP ay isinasagawa sa pamamagitan ng pag-ikot ng salamin;

3) "mode-locking" mode: na may lapad ng emission line Δν hindi isa ~10 11 Hz,

bilang ng mga longitudinal mode M~10 2 , tagal ng pulso ~10 ps.

Kasama sa mga Ruby laser application ang holographic image recording system, pagproseso ng materyal, optical rangefinder, atbp.

Malawakang ginagamit sa gamot at laser on BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (chrysoberyl doped na may chromium, o alexandrite), na naglalabas sa hanay na 0.7 ... 0.82 microns.

2.3. Erbium Fiber Optic Quantum Amplifier. Ang ganitong amplifier, madalas na tinutukoy bilang " EDFA ” ( pagdadaglat para sa “ Erbium Dopped Fiber Amplifier ”), gumagana ayon sa isang three-level scheme sa quantum transitions sa pagitan ng electronic states Ay 3+ sa erbium-doped silica fiber: SiO2 : Er3+ (Larawan 3a). Ang mas mababang quantum state na "1" ay ang ground electronic state Er 3+ - 4 I 15/2 . Ang itaas na quantum states na "2" ay ang pangkat ng mas mababang mga sublevel ng split electronic state 4 I 13/2 . Ang paghahati sa isang bilang ng mga sublevel na malapit sa pagitan ay nangyayari dahil sa pakikipag-ugnayan ng mga ion Ay 3+ na may intracrystalline field SiO2 (Stark effect). Mga itaas na sublevel ng elektronikong estado 4 I 13/2 at magkahiwalay na antas 4 I 11/2 ay mga pantulong na antas na "3a" at "3b".

Sa ilalim ng pagkilos ng radiation ng bomba sa mga wavelength na 980 nm (o 1480 nm), ang mga ion Ay 3+ pumunta mula sa estadong "1" hanggang sa panandaliang estado na "3a" o "3b", at pagkatapos ay mabilis na mga nonradiative transition ( w 32 ~10 6 s –1 ) upang sabihin ang "2", na quasi-metastable ( w 21 ~10 2 s –1 , at τ 2 ~10ms). Kaya ang kinakailangan w 32 >> w 21 ay isinasagawa, at sa antas na "2" mayroong isang akumulasyon ng mga particle, ang bilang nito, kapag ang antas ng bomba ay lumampas sa halaga ng threshold nito, W > W noon , ay lumampas sa populasyon ng antas "1", i.e. magkakaroon ng pagbaligtad at pagpapalakas ng populasyon sa mga wavelength sa hanay na 1.52…1.57 μm (Larawan 3b). Lumalabas na ang inversion threshold ay naabot kapag ang isang ikatlo ng mga particle ay inilipat sa antas na "2". Antas ng threshold OH– W noon at ang dalas ng pag-asa ng pakinabang ay tinutukoy ng istraktura ng hibla (Larawan 3b), konsentrasyon Ay 3+ at wavelength ng OH radiation. Ang pump efficiency, lalo na ang ratio ng unsaturated gain sa unit power ng OH source, ay para sa pumping mula λ980nm hanggang 11dB m–1 ∙mW –1 , at para sa λ1480nm - mga 6dB m–1 ∙mW –1 .

Makakuha ng Pagsunod sa Dalas EDFA ang ikatlong "transparency window" ng quartz fiber ay tumutukoy sa paggamit ng mga naturang amplifier bilang mga linear loss compensator ng modernong fiber-optic communication lines (FOCL) na may frequency multiplexing ng mga channel (systems WDM : Wavelength Division Multiplexing , at DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing ). Ang haba ng cable-amplifier, na binomba ng radiation ng isang semiconductor laser, ay medyo simpleng kasama sa FOCL (Fig. 3c). Ang paggamit ng erbium fiber amplifier sa FOCL ay pumapalit sa teknikal na mas kumplikadong paraan ng signal na "regeneration" - ang pagkuha ng mahinang signal at ang pagpapanumbalik nito.

kanin. 3. Erbium fiber optic quantum amplifier ( EDFA ). (a) diagram ng antas ng enerhiya Er 3+ sa SiO 2 (kuwarts), (b) pagpapalakas ng signal sa kuwarts na may iba't ibang mga additives, ( sa ) - isang pinasimple na pamamaraan para sa paglipat sa isang amplifier sa isang FOCL: 1 - input radiation (mula sa transmission path), 2 - isang semiconductor pump laser, 3 - isang multiplexer ( coupler ), 4– EDFA (SiO 2 : Er 3+ ), 5—optical isolator, 6—output radiation (sa daanan ng paghahatid).

3. Optitically pumped lasers na tumatakbo ayon sa "four-level scheme".

3.1. Theoretical analysis ng four-level scheme. Sa gayong pamamaraan ng mga antas (Larawan 4), ang antas na "0" ay ang estado ng enerhiya sa lupa ng isang grupo ng mga particle, ang antas na "1", na nauugnay sa isang quantum transition na may antas na "0", ay ang mas mababang antas ng laser, mahaba -lived level "2" ay ang itaas na antas ng laser, at ang level "3" ay auxiliary. Gumagana ang pumping sa channel na "0" → "3".

Hanapin natin ang kundisyon para sa pagkakaroon ng inversion sa pagitan ng mga antas na "2" at "1". Ipagpalagay na ang mga istatistikal na timbang ng mga antas ay pareho, at ipinapalagay din iyon

at, (6)

isulat pinasimpleng sistema kinetic equation para sa mga antas na "3", "2" at "1" sa nakatigil na pagtatantya, pati na rin ang ratio para sa bilang ng mga particle sa lahat ng antas:

(7)

kung saan n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , – mga konsentrasyon ng butil sa mga antas na 0,1,2,3; Wn 0 at Wn 3 ay ang mga rate ng pagsipsip at sapilitan na paglabas sa mga paglipat sa pagitan ng mga antas na "0" at "3" sa ilalim ng pagkilos ng radiation ng bomba, ang posibilidad na kung saan ay W; wik ay ang mga posibilidad ng paglipat sa pagitan ng mga antas, N ay ang kabuuang bilang ng mga aktibong particle sa bawat dami ng yunit.

Mula sa (6 at 7) mahahanap natin ang antas ng populasyon n 1 at n 2 bilang isang function ng W , at ang kanilang pagkakaiba Δ n sa anyo

, (8)

na tumutukoy sa unsaturated gain α 0 sa paglipat "2" → "1".

Malinaw, ang pakinabang ay magiging positibo at pinakamataas kapag:

. (9)

Mula dito maaari nating tapusin na sa kaso ng isang apat na antas na pamamaraan na may OH, kapag ang mga kondisyon (6) at (9) ay nasiyahan:

1) ang pagbabaligtad ay hindi likas sa threshold at umiiral para sa alinman W;

2) ang kapangyarihan ng laser output, na tinutukoy ng expression (2.14), ay depende sa optical pumping rate Wn 0 .

3) kumpara sa tatlong antas, ang apat na antas na pamamaraan ay mas maraming nalalaman at nagbibigay-daan sa iyo na lumikha ng isang pagbaligtad ng populasyon, pati na rin upang isakatuparan ang parehong pulsed at tuloy-tuloy at henerasyon sa anumang antas ng bomba (kapag ang kita ay lumampas sa mga pagkalugi sa ang OER).

3.2. neodymium laser. Gumagamit ang laser ng quantum transition sa pagitan ng electronic energy level Nd 3+ , ang henerasyon ng laser ay isinasagawa ayon sa isang apat na antas na pamamaraan na may OH (Larawan 5). Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit na crystal matrix para sa mga ions Nd 3+ ay yttrium aluminum garnet: Y 3 Al 5 O 12 , at ang doped na kristal ay tinutukoy bilang Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ o YAG: Nd 3+ . Konsentrasyon ng Nd3+ , na hindi nagpapa-deform sa YAG crystal - hanggang 1.5%. Iba pang mga matrice para sa Nd 3+ ay mga phosphate at silicate na baso (na tinukoy bilang salamin : Nd 3+ ), mga kristal ng gadolinium-scandium-gallium garnet (GSHG: Nd 3+ ), yttrium-lithium fluoride– YLiF 4 : Nd 3+ , yttrium ortovanadate, organometallic na likido. Dahil sa kubiko na istraktura ng matrix, ang YAG luminescence spectrum ay may makitid na mga linya, na tumutukoy sa mataas na nakuha ng neodymium solid-state laser, na maaaring gumana sa parehong pulsed at cw generation mode.

Pinasimpleng electronic energy level diagram Nd 3+ sa YAG ay ipinapakita sa Fig. 5 Mas mababang antas ng laser "1" 4 I 11/2 ang pinaka matinding quantum transition Nd 3+ na may wavelength na λ1.06 μm ay matatagpuan humigit-kumulang 0.25 eV sa itaas ng ground energy state "0" - 4 I 9/2 , at sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay halos walang tao (0.01% ng populasyon ng ground state), na tumutukoy sa mababang henerasyong threshold ng laser na ito. Antas 4 F 3/2 , na ang buhay ay 0.2ms, ay ang itaas na antas ng laser na "2". Mga pangkat ng mga antas (enerhiya "mga zone") "3a" ... "3 d ” gumaganap ang papel ng isang pantulong na antas ng elektronikong “3”. Ang optical pumping ay isinasagawa sa pamamagitan ng channel na "0" → "3", ang mga banda ng pagsipsip ay may mga wavelength na malapit sa 0.52; 0.58; 0.75; 0.81 at 0.89 µm. Mula sa mga estadong "3a" ... "3 d » mayroong isang mabilis na pagpapahinga sa pamamagitan ng nonradiative transition sa itaas na estado ng laser «2».

Krypton at xenon gas-discharge lamp ay ginagamit para sa pumping, halogen lamp na may alkali metal additives sa pagpuno ng gas, pati na rin ang semiconductor GaAs mga laser (λ0.88 µm) at mga LED batay sa Ga 1 x Al x As (λ0.81 µm) (Larawan 6).

YAG laser radiation power: Nd 3+ na may wavelength na λ1.06 μm sa tuloy-tuloy na mode ay umabot sa 1 kW, ang mga halaga ng rekord na nakamit sa pulsed mode: ang enerhiya ng pulso ay halos 200 kJ, at ang kapangyarihan ay 200 TW sa tagal ng pulso na ~1 ns ( isang laser na dinisenyo para sa mga eksperimento sa kinokontrol na laser thermonuclear fusion - LTS).

Sa isang kristal ng YAG, isang linya ng laser Nd 3+ na may λ1.06 μm ay pantay na pinalawak (hanggang sa 0.7 nm), habang sa mga baso mayroong isang makabuluhang inhomogenous na pagpapalawak dahil sa Stark effect (Δν hindi isa ≈3∙10 12 Hz,), na ginagawang posible na matagumpay na mailapat ang longitudinal mode locking mode (tingnan ang Seksyon 3.3) na may M ~10 4 at tumanggap ng mga ultrashort pulse na may tagal ng pagkakasunud-sunod na 1 ps.

Isang tumaas na konsentrasyon ng mga activator ions sa media tulad ng neodymium pentaphosphate ( NdP 5 O 14 ), lithium neodymium tetraphosphate ( LiNdP 4 O 12 ) at iba pa, ay nagbibigay ng mahusay na pagsipsip ng semiconductor laser radiation sa mga distansya ng pagkakasunud-sunod ng mga fraction ng isang milimetro, na nagpapahintulot sa iyo na lumikha ng mga miniature na module na tinatawag mga minilaser : semiconductor laser - neodymium laser.

Ang mataas na lakas ng radiation ng isang neodymium laser na may λ1.06 μm ay ginagawang posible na i-convert ang dalas ng radiation nito gamit ang mga nonlinear na kristal. Upang makabuo ng pangalawa at mas mataas na optical harmonics, ang mga kristal na may quadratic at cubic nonlinear susceptibility ay ginagamit (potassium dihydrogen phosphate - KDP , potassium titanyl phosphate - KTP ), na may direkta at (o) sequential (cascade) conversion. Kaya, kung ang isang kadena ng mga kristal ay ginagamit para sa radiation ng isang neodymium laser, kung gayon bilang karagdagan sa IR radiation sa pangunahing dalas na may λ1.06 μm, posible na makakuha ng henerasyon ng ika-2, ika-4 at ika-5 na harmonic na may mga wavelength ng λ0 .53 μm (berdeng radiation); λ0.35 μm, λ0.26 μm at λ0.21 μm (UV radiation) - (Larawan 7).

Ang mga pangunahing lugar ng aplikasyon ng neodymium lasers: teknolohikal at medikal na pag-install, mga eksperimento sa kinokontrol na laser thermonuclear fusion, pag-aaral ng matunog na pakikipag-ugnayan ng radiation sa bagay, sa underwater vision at mga sistema ng komunikasyon (λ0.53 µm), optical information processing; spectroscopy, remote diagnostics ng mga impurities sa atmospera (UV radiation), atbp.

Sa mga laser na gumagamit ng mga baso bilang isang matrix (silicate, borate, atbp.), ang iba pang mga activator ions ay maaari ding matagumpay na magamit: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ na may radiation sa hanay na 0.9 ... 1.54 μm.

3.3. Ang dalas ng conversion ng radiation sa isang nonlinear na daluyan. Ang kababalaghan ng pagdodoble at pagdaragdag ng mga frequency ng mga light wave ay ang mga sumusunod. Kapag ang liwanag ay nagpapalaganap sa isang daluyan sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field ng isang electromagnetic wave E , mayroong katumbas na pag-aalis ng atomic electron na may kaugnayan sa nuclei, i.e. ang daluyan ay polarized. Ang polarizability ng medium ay nailalarawan sa magnitude ng electric dipole moment bawat unit volume - R nauugnay sa magnitude ng field E sa pamamagitan ng dielectric suceptibility ng mediumχ : . Kung ang patlang na ito ay maliit, pagkatapos ay ang dielectric pagkamaramdaminχ \u003d χ 0 \u003d Const, p ay isang linear function ng E : , at ang paglilipat ng mga singil ay nagdudulot ng radiation na may parehong dalas ng paunang radiation (“ linear" na optika).

Sa mataas na kapangyarihan, kapag electric field Ang radiation ay nagsisimula na lumampas sa halaga ng intraatomic field, ang polarizability ay nagiging isang nonlinear function E : Ibig sabihin, bukod sa linearly dependent sa E termino sa maliit E , kapag kami ay nakikitungo sa linear optika, sa expression para sa R lumilitaw na nonlinear na may kinalaman sa E term ("nonlinear ” optika). Bilang resulta, kapag ang isang "pump" na alon ay nagpapalaganap sa isang daluyan na may dalas na ν 0 at wave vector (nasaan ang refractive index ng medium), isang bagong wave ang lilitaw - ang pangalawang optical harmonic na may frequency at wave vector, pati na rin ang isang bilang ng mga mas mataas na pagkakasunud-sunod na harmonics. Malinaw, ang enerhiya ng isang pump wave na may dalas ay pinakamabisang maililipat sa isang bagong alon na may dalas kung ang mga bilis ng pagpapalaganap ng dalawang alon na ito ay pareho, i.e. kung may tinatawag na.: . Ang kundisyong ito ay maaaring matugunan gamit ang isang kristal na may birefringence, kapag ang dalawang alon ay nagpapalaganap sa isang tiyak na anggulo sa pangunahing optical axis nito.

Kapag ang dalawang wave ay nagpapalaganap sa kristal na may mga frequency at at wave vectors at, bilang karagdagan sa mga harmonika ng bawat isa sa mga wave, isang wave na may kabuuang frequency ay nabuo sa kristal: , at isang wave na may pagkakaiba frequency. Ang kondisyon ng wave synchronism sa kasong ito ay may anyo: .

Sa isang tiyak na kahulugan, ang inilarawan na mga phenomena ay maaaring ituring bilang ang henerasyon ng mga harmonika sa panahon ng magkakaugnay na optical pumping ng isang nonlinear na kristal.

3.4. Mahimig na dye lasers. Ang mga laser batay sa mga solusyon ng mga kumplikadong organikong compound (kabilang ang mga tina: rhodamines, coumarins, oxazoles, atbp.) sa mga alkohol, acetone at iba pang mga solvent ay nabibilang sa grupo likido mga laser. Ang ganitong mga solusyon ay may matinding absorption band sa OH at mga emission band sa malapit sa UV, nakikita, o malapit sa IR spectral na rehiyon. Ang kanilang pangunahing bentahe ay isang malawak na linya ng luminescence (hanggang sa 50...100 nm), na ginagawang posible na maayos na ibagay ang dalas ng pagpapatakbo ng laser sa loob ng linyang ito.

Ang mga elektronikong estado ng karamihan sa mga tina na ginagamit sa naturang mga laser ay malawak, hanggang sa 0.1 eV, tuluy-tuloy na mga banda ng enerhiya na nagreresulta mula sa pagdaragdag ng daan-daang "nagpatong-patong" na mga sublevel ng vibrational at rotational, na humahantong din sa malawak, bilang panuntunan, walang istrakturang pagsipsip at luminescence bands. , bilang resulta ng pagdaragdag ng "nagpapatong" na mga transition sa pagitan ng naturang mga sublevel (Larawan 8a). Sa pagitan ng mga sublevel "sa loob" ng mga banda na ito, mayroong mabilis na nonradiative transition na may mga probabilidad w ~10 10 …10 12 s –1 , at ang mga probabilidad ng mga transition ng relaxation sa pagitan ng mga electronic na estado ay dalawa hanggang apat na order ng magnitude na mas mababa (~10 8 s–1).

Ang pagbuo ay nangyayari ayon sa isang "apat na antas" na pamamaraan sa mga transition ng dye molecule mula sa mas mababang vibrational sublevels ng unang excited singlet electronic state S1 (Larawan 8, a), mga analogue ng antas na "2" sa diagram sa Fig. 4 - sa itaas na mga sublevel ng ground electronic state S0 , mga analogue ng antas "1". Ang analogue ng level na "0" ay ang mas mababang mga sublevel ng pangunahing electronic term, at ang analogue ng auxiliary level na "3" ay ang upper vibrational sublevels ng excited electronic term. S1.

Dahil ang mga mabilis na transisyon ay nagaganap sa loob ng mga elektronikong termino, ang distribusyon ng populasyon ng mga estado ay tumutugma sa batas ni Boltzmann: ang mga nasa itaas na sub-level na "3" at "1" ay mahina ang populasyon, at ang mas mababang "0" at "2" ay malakas. populated. Ang ganitong ratio para sa mga antas na "0" at "3" ay tumutukoy para sa kanila ng isang mataas na kahusayan ng RS kasama ang channel "0" → "3", at ang ratio para sa mga antas na "2" at "1" ay tumutukoy sa pagbaligtad ng populasyon, pagpapalakas. at henerasyon sa transisyon na ito.

Upang makakuha ng isang makitid na linya ng henerasyon, pati na rin upang mai-tune ito sa dalas sa loob ng isang malawak na luminescence band ng mga molekula ng dye, isang dispersive resonator na may spectral selective elements (prisms, diffraction gratings, interferometers, atbp.) ay ginagamit (Fig. 8b).

Ang posibilidad ng pag-tune sa wavelength sa loob ng luminescence line (Fig. 8, sa ) na walang pagkawala ng kuryente ay natutukoy sa pamamagitan ng mabilis na nonradiative transition sa loob ng electronic terms na "2" at "1", ang posibilidad na lumampas sa probabilidad ng sapilitan na mga transition. Kaya, kapag ang pag-tune ng resonator sa anumang wavelength sa loob ng luminescence line ng "2" → "1" na paglipat, ang laser radiation ay nangyayari sa paglipat sa pagitan ng kaukulang mga sublevel "2ʹ" at "1ʹ ”, na nagreresulta sa sublevel na “2ʹ » sa pamamagitan ng sapilitan na mga transition ay “na-clear”, at «1ʹ » - ay karagdagang populated. Gayunpaman, dahil sa OH at mabilis na paglipat mula sa mga kalapit na sublevel sa loob ng termino, ang populasyon ng "bumubuo" na sublevel na "2ʹ » ay patuloy na naibabalik. Kasabay nito, ang sublevel na "1ʹ ” ay patuloy na na-clear sa pamamagitan ng mabilis na mga transition, sa kalaunan ay nagre-relax sa "0" na estado. Kaya, ang buong pumping ng upper electron term "2" ay nagiging pumping ng transition "2ʹ»→«1ʹ » at nagiging narrow-band monochromatic laser radiation sa tuning frequency ng dispersive resonator, at ang frequency na ito ay maaaring iba-iba.

Bilang karagdagan sa mga radiative transition S 1 → S 0 ("2" → "1") Mayroon ding ilang mga transition na nagpapababa sa kahusayan ng henerasyon. Ito ang mga transition: S 1 → T 1 , na nagpapababa sa populasyon ng mga antas “2ʹ ”, mga transition T 1 →"1", pagtaas ng populasyon ng mga antas "1ʹ", at mga transition T 1 → T 2 sumisipsip ng laser radiation.

Mayroong dalawang uri ng dye lasers: hindi magkakaugnay (tube) optically pumped sa pamamagitan ng radiation mga flash lamp at pulse mode ng operasyon; at kasama din magkakaugnay pumping sa pamamagitan ng laser radiation ng iba pang mga uri (gas o solid-state) sa tuluy-tuloy, parang tuloy-tuloy o pulsed na operasyon. Kung ang isang pagbabago ng mga tina ay ginagamit sa laser, at mayroong higit sa isang libo sa kanila, kung gayon sa ganitong paraan posible na "takpan" ang buong nakikita at bahagi ng IR na rehiyon ng spectrum (0.33 ... 1.8 μm) na may radiation. Sa mga laser na may magkakaugnay na pumping, ang mga ion pump ay ginagamit bilang mga pinagmumulan ng pump upang makakuha ng tuluy-tuloy na rehimen. Ar - o Kr - mga laser ng gas. Upang mag-pump ng mga tina sa isang pulsed mode, ginagamit ang mga gas laser N 2 , copper vapor, excimer, pati na rin ang ruby at neodymium laser na may frequency multiplication. Kadalasan ay kinakailangan na gumamit ng pumping ng solusyon ng pangulay, bilang isang resulta kung saan ang mga molekula na sumailalim sa dissociation sa ilalim ng pagkilos ng radiation ng bomba ay tinanggal mula sa aktibong zone at ipinakilala ang mga sariwa.

Mga dye laser, na mayroong Δν hindi isa ~10 13 Hz at M>10 4 , gawing posible na makabuo ng ultrashort radiation pulses (τ~10 14 …10 13 s).

Ang mga dye laser na may distributed feedback (DFB) ay bumubuo ng isang espesyal na grupo. Sa DFB lasers, ang papel ng isang resonator ay nilalaro ng isang istraktura na may pana-panahong pagbabago ng refractive index at (o) gain. Karaniwan itong nilikha sa isang aktibong daluyan sa ilalim ng pagkilos ng dalawang nakakasagabal na pump beam. Ang isang DFB laser ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang makitid na linya ng henerasyon (~10 2 cm 1 ), na maaaring i-tune sa loob ng gain band sa pamamagitan ng pagbabago ng anggulo sa pagitan ng mga pump beam.

Kasama sa mga dye laser application ang photochemistry, selective pumping ng quantum states sa spectroscopy, isotope separation, atbp.

3.5 Tunable na titanium-doped sapphire laser. Ang isang maayos na pag-tune ng wavelength ng henerasyon ay tinitiyak din ng isang solid-state na laser batay sa isang titanium-activated corundum crystal ( Al 2 O 3 : Ti 3+ ), tinatawag na sapiro.

Bawat elektronikong estado Ti 3+ , ay binubuo ng malaking bilang ng mga "nagpapatong-patong" na mga sublevel ng vibrational, na humahantong sa walang istrukturang pagsipsip at mga luminescence band na mas malawak pa kaysa sa isang dye bilang resulta ng pagdaragdag ng "nagpapatong" na mga transition sa pagitan ng mga naturang sublevel. Sa loob ng mga estadong ito, mayroong mabilis na nonradiative transition na may mga probabilidad w ~10 9 s 1 , habang ang mga probabilidad ng pagpapahinga sa pagitan ng mga elektronikong estado ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10 5 …10 6 s 1 .

Ang sapphire laser ay kabilang sa grupo ng tinatawag na. vibronic lasers, na nailalarawan na ang kanilang pangunahing elektronikong termino ay isang banda ng mga sublevel ng vibrational ( kristal na sala-sala), dahil sa kung saan ang laser ay nagpapatakbo ayon sa isang apat na antas na pamamaraan, at, tulad ng isang dye laser, lumilikha ito ng posibilidad ng makinis na pag-tune ng henerasyon sa hanay na λ660…1180 nm. Ang absorption band ay umaabot mula λ0.49 µm hanggang λ0.54 µm. Maikling buhay ng nasasabik na estado na "2" Ti 3+ ginagawang hindi epektibo ang pumping ng lampara ng laser na ito, na, bilang panuntunan, ay isinasagawa ng cw argon laser (λ488 nm at λ514.5 nm), ang pangalawang harmonic ng isang neodymium laser (λ530 nm) o tansong singaw ng laser radiation pulses (λ510 nm).

Ang hindi mapag-aalinlanganang mga bentahe ng isang sapphire laser na may titanium ay isang mas mataas na pinahihintulutang lakas ng bomba nang walang pagkasira ng gumaganang sangkap at isang mas malawak na inhomogeneously broadened luminescence line. Bilang resulta, isang sequence ng mga pulso na may tagal na humigit-kumulang sampu ng femtosecond (1fs=10 15 c), at may kasunod na compression (pagipit) ng mga pulso sa nonlinear optical fibers - hanggang sa 0.6 fs.

3.6. Mahimig na color center lasers. Ang ganitong mga laser, tulad ng mga solid-state laser na tinalakay sa itaas, ay gumagamit ng mga ionic na kristal bilang aktibong sangkap, ngunit may mga sentro ng kulay na tinatawag na F - mga sentro , na nagpapahintulot sa pag-tune ng kanilang radiation. Mga materyales sa laser para sa naturang mga laser: mga kristal ng fluoride at chlorides ng mga alkali na metal ( Li, Na, K, Rb ), pati na rin ang mga fluoride Sina Ca at Sr . Ang epekto sa kanila ng ionizing radiation: gamma quanta, high-energy electron, X-ray at hard UV radiation, pati na rin ang calcination ng mga kristal sa alkali metal vapors, ay humahantong sa paglitaw ng mga point defect sa crystal lattice, na naglo-localize. mga electron o butas sa kanilang sarili. Ang isang bakante na kumukuha ng isang electron ay bumubuo ng isang depekto na ang elektronikong istraktura ay katulad ng isang hydrogen atom. Ang nasabing sentro ng kulay ay may mga banda ng pagsipsip sa nakikita at UV na mga rehiyon ng spectrum.

Ang pamamaraan ng henerasyon ng laser sa mga sentro ng kulay ay katulad ng mga scheme ng mga likidong laser sa mga organikong tina. Sa unang pagkakataon, ang henerasyon ng stimulated emission sa mga sentro ng kulay ay nakuha sa mga kristal ng K Cl - Li sa ilalim ng pulsed optical pumping. Sa ngayon, ang henerasyon ay naobserbahan sa isang malaking bilang ng iba't ibang mga sentro ng kulay na may IR radiation sa pulsed at tuloy-tuloy na mga mode na may magkakaugnay na RS. Ang dalas ng radiation ay nakatutok gamit ang mga dispersive na elemento (prisms, diffraction gratings, atbp.) na inilagay sa resonator. Gayunpaman, pinipigilan ng mahinang thermal at photostability malawakang paggamit tulad ng mga laser.

3.7. Mga fiber laser. hibla tinatawag na mga laser, ang resonator na kung saan ay binuo sa batayan ng optical fiber-waveguide, na siya ring aktibong medium ng laser kung saan nabubuo ang radiation (Larawan 9). Rare earth doped quartz fiber ang ginagamit ( Nd, Ho, Er, Tm, Yb atbp.), o passive fiber gamit ang epekto ng stimulated Raman scattering. Sa huling kaso, ang optical resonator ay bumubuo ng isang magaan na gabay kasama ng "Bragg" refractive index gratings na "naka-embed" sa fiber. Ang ganitong mga laser ay tinatawag hibla Raman ” mga laser. Ang laser radiation ay kumakalat sa loob ng optical fiber, at samakatuwid ang fiber laser cavity ay simple at hindi nangangailangan ng alignment. Sa isang fiber laser, posibleng makakuha ng parehong single-frequency generation at generation ng ultrashort (femtosecond, picosecond) light pulses.

4. Parametric light generation

Parametric na henerasyon ng ilaw(POS) ay isinasagawa sa ilalim ng pagkilos ng laser optical pumping radiation sa solid-crystals na may nonlinear properties, at nailalarawan sa pamamagitan ng medyo mataas na conversion coefficient (sampu-sampung porsyento). Sa kasong ito, posible na maayos na ibagay ang dalas ng output radiation. Sa isang tiyak na kahulugan, ang OPO, pati na rin ang phenomenon ng frequency multiplication at karagdagan na isinasaalang-alang sa itaas, ay maaaring ituring na henerasyon ng tunable radiation sa panahon ng magkakaugnay na optical pumping ng isang nonlinear na kristal.

Sa gitna ng kababalaghan ng OPO, tulad ng sa kaso ng pagpaparami at pagdaragdag ng mga frequency, ay mga non-linear optical phenomena sa media. Isaalang-alang natin ang kaso kapag ang isang medium na may mga nonlinear na katangian at matatagpuan sa isang open optical cavity (OOR) ay nakikipag-ugnayan sa laser radiation na may sapat na mataas na intensity, na mayroong frequency ν 0 (pagbomba). Dahil sa pagbomba ng enerhiya ng alon na ito, dalawang bagong light wave ang maaaring lumitaw sa medium:

1) isang alon ng likas na "ingay" na may tiyak na dalas ν 1 ;

2) isang alon na may pagkakaiba sa dalas (ν 0 – v 1 ), na resulta ng isang nonlinear na interaksyon sa pagitan ng pump radiation at isang random (ingay) wave na may dalas na ν 1 .

Bukod dito, ang mga frequency ν 1 at (ν 0 – ν 1 ) ay dapat na natural na mga frequency ng OOP at para sa lahat ng tatlong alon,kondisyon ng wave synchronism: . Sa madaling salita, ang pump light wave na may frequency ν 0 gamit ang auxiliary noise wave na may frequency ν 1 , nagiging isang alon na may dalas (ν 0 – v 1).

Ang dalas ng pag-tune ng OPO radiation ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpili ng oryentasyon ng isang birefringent nonlinear na kristal sa pamamagitan ng pag-ikot nito, i.e. pagpapalit ng anggulo sa pagitan ng optical axis nito at ng axis ng resonator upang gumanapkondisyon ng wave synchronism. Ang bawat halaga ng anggulo ay tumutugma sa isang mahigpit na tinukoy na kumbinasyon ng mga frequency ν 1 at (ν 0 – ν 1 ), kung saan ang kondisyon ng wave synchronism ay kasalukuyang nasiyahan.

Dalawang scheme ang maaaring gamitin para ipatupad ang PGS:

1) "two-resonator" scheme, kapag ang nabuong mga alon na may mga frequency ν 1 at (ν 0 – ν 1 ) mangyari sa isang OER, habang ang pagkawala ng OER para sa kanila ay dapat na maliit;

2) "single resonator" scheme, kapag isang wave lang na may frequency (ν 0 – v 1).

Ang isang kristal ay maaaring gamitin bilang isang aktibong daluyan LiNbO 3 (lithium niobate), na binomba ng radiation ng pangalawang harmonic ng YAG: Nd 3+ (λ0.53 μm) at maayos na pag-tune ay maaaring isagawa sa hanay ng hanggang λ3.5 μm sa loob ng 10%. Ang isang set ng mga optical crystal na may iba't ibang bahagi ng nonlinearity at transparency ay nagbibigay-daan sa pag-tune sa IR na rehiyon hanggang sa 16 µm.

5. Semiconductor lasers

semiconductortinatawag na mga solid-state laser kung saan ang mga semiconductor na kristal ng iba't ibang komposisyon na may pagbaligtad ng populasyon sa isang quantum transition ay ginagamit bilang isang aktibong daluyan (gumaganang sangkap). Ang isang mapagpasyang kontribusyon sa paglikha at pagpapabuti ng naturang mga laser ay ginawa ng aming mga kababayan na sina N.G. Basov, Zh.I. Alferov at kanilang mga katuwang.

5.1. Prinsipyo ng pagpapatakbo. Sa mga laser semiconductor, hindi tulad ng mga laser ng iba pang mga uri (kabilang ang iba pang solid-state), ang mga radiative transition ay ginagamit hindi sa pagitan ng mga nakahiwalay na antas ng enerhiya ng mga atom, molekula at ion na hindi nakikipag-ugnayan o mahinang nakikipag-ugnayan sa isa't isa, ngunit sa pagitan ng pinapayagan.mga zone ng enerhiyakristal. Ang radyasyon (luminescence) at pagbuo ng stimulated emission sa mga semiconductor ay dahil sa quantum transition ng mga electron pareho sa pagitan ng mga energy level ng conduction band at valence band, at sa pagitan ng mga level ng mga band na ito at mga antas ng impurity: transition donor level–acceptor level, conduction band–acceptor level, donor level– valence band, kasama ang through exciton states. Ang bawat energy zone ay tumutugma sa isang napakalaking (~10 23 …10 24 ) ang bilang ng mga pinapayagang estado. Dahil ang mga electron ay fermion; pagkatapos, halimbawa, valence ang zone ay maaaring ganap o bahagyang mapuno ng mga electron: na may densidad na bumababa mula sa ibaba hanggang sa itaas kasama ang sukat ng enerhiya - katulad ng pamamahagi ng Boltzmann sa mga atomo.

Ang radiation ng semiconductors ay batay sa phenomenonelectroluminescence. Ang isang photon ay ibinubuga bilang isang resulta ng isang gawa recombination charge carriers - isang electron at isang "hole" (isang electron mula sa conduction band ay sumasakop sa isang bakante sa valence band), habang ang radiation wavelength ay tinutukoy ngbanda gap. Kung lumikha tayo ng mga kundisyon na ang isang electron at isang butas bago ang recombination ay nasa parehong rehiyon ng espasyo para sa isang sapat na mahabang panahon, at sa sandaling ito ang isang photon na may dalas na nasa resonance sa dalas ng quantum transition ay dumaan dito. rehiyon ng espasyo, pagkatapos ay maaari itong magbuod ng proseso ng recombination na may emission second photon, at ang direksyon nito, vector polariseysyon at yugto ay eksaktong tumutugma sa parehong mga katangian tulad ng unang photon. Halimbawa, sa sariling ("puro", "walang karumihan") semiconductors, mayroong napunong valence band at halos libreng conduction band. Sa panahon ng interband transition, upang maging sanhi ng inversion at makakuha ng henerasyon, ito ay kinakailangan upang lumikha ng labis na nonequilibrium concentrations ng charge carriers: sa conduction band - mga electron, at sa valence band - mga butas. Sa kasong ito, ang agwat sa pagitan ng mga antas ng quasi-Fermi ay dapat lumampas sa banda gap, ibig sabihin, isa o parehong quasi-Fermi na antas ay nasa loob ng mga pinapayagang banda sa mga distansyang hindi hihigit sa kT mula sa kanilang mga hangganan. At ito presupposes paggulo ng tulad intensity na pagkabulok sa conduction band at sa valence band.

Ang unang semiconductor lasers ay gumamit ng gallium arsenide (GaAs), na pinapatakbo sa isang pulsed mode, na ibinubuga sa hanay ng IR at nangangailangan ng masinsinang paglamig. Ang karagdagang pananaliksik ay naging posible upang makagawa ng maraming makabuluhang pagpapabuti sa pisika at teknolohiya ng mga laser ng ganitong uri, at sa kasalukuyan ay naglalabas sila sa parehong nakikita at UV na mga saklaw.

Ang pagkabulok ng isang semiconductor ay nakakamit sa pamamagitan ng mabigat na pagdo-doping nito sa isang mataas na dopant na konsentrasyon, kung kaya't ang mga katangian ng dopant, sa halip na sa mga intrinsic na semiconductor, ay ipinapakita. Bawat atom donor ang karumihan ay nagbibigay ng isa sa mga electron nito sa conduction band ng kristal. Sa kabaligtaran, ang atomtumanggapkinukuha ng karumihan ang isang electron, na ibinahagi ng kristal at nasa valence band. mabuloknang isang semiconductor ay nakuha, halimbawa, sa pamamagitan ng pagpapasok saGaAstellurium impurities (konsentrasyon 3...5 1018 cm3 ), at ang degeneratepsemiconductor - mga impurities ng zinc (konsentrasyon 1019 cm3 ). Ang pagbuo ay isinasagawa sa IR wavelength mula 0.82 µm hanggang 0.9 µm. Ang mga istruktura na lumago sa mga substrate ay laganap din.InP(IR rehiyon λ1…3 µm).

Ang semiconductor crystal ng pinakasimpleng laser diode na tumatakbo sa isang "homojunction" (Fig. 10) ay may anyo ng isang napaka manipis na hugis-parihaba na plato. Ang nasabing plato ay mahalagang isang opticalwaveguidekung saan kumakalat ang radiation. Ang tuktok na layer ng kristaldopedpara sa paglikhaplugar, at sa ilalim na layer ay nilikhanrehiyon. Ang resulta ay isang patagpnmalaking lugar na tawiran. Ang dalawang gilid (mga dulo) ng kristal ay pinuputol at pinakintab upang bumuo ng makinis na parallel reflective planes na bumubuo ng bukas na optical cavity.- Fabry-Perot interferometer. Random na photon ng spontaneous emission na ibinubuga sa isang eroplanopnang paglipat na patayo sa mga reflector, na dumadaan sa resonator, ay magdudulot ng mga stimulated na recombination transition, na lumilikha ng bago at bagong mga photon na may parehong mga parameter, i.e. ang radiation ay lalakas, ang henerasyon ay magsisimula. Sa kasong ito, ang laser beam ay mabubuo dahil sa paulit-ulit na pagpasa sa optical waveguide at pagmuni-muni mula sa mga dulo.

Ang pinakamahalagang uri ng pumping sa semiconductor lasers ayiniksyonpumping. Sa kasong ito, ang mga free charge carrier ay nagsisilbing mga aktibong particle - labis na nonequilibrium conduction electron at mga butas, natinuroksapn-transition (aktibong daluyan), kapag dumadaan dito agos ng kuryente sa "direktang" direksyon na may "direktang" displacement, na binabawasan ang taas ng potensyal na hadlang. Pinapayagan nito ang direktang pag-convert ng elektrikal na enerhiya (kasalukuyan) sa magkakaugnay na radiation.

Ang iba pang paraan ng pumping ay electrical breakdown (sa tinatawag na.streamerlasers), electron beam pumping, at optical pumping.

5.2. DHS lasers. Kung ayusin mo ang isang layer na may mas makitidipinagbabawal na sona(aktibong rehiyon) sa pagitan ng dalawang layer na may mas malawak na bandgap, isang tinatawag na.heterostructure. Ang laser na gumagamit nito ay tinatawag na double laser.heterostructure(DHS laser, o “dobleng heterostructure”, DHS- laser). Ang istraktura na ito ay nabuo sa pamamagitan ng pagsaligallium arsenide(GaAs) ataluminyo gallium arsenide(AlGaAs). Ang bentahe ng naturang mga laser ay ang maliit na kapal ng gitnang layer - ang aktibong rehiyon kung saan ang mga electron at mga butas ay naisalokal: ang ilaw ay karagdagan na makikita mula sa mga heterojunction, at ang radiation ay mapapaloob sa rehiyon ng maximum na amplification.

Kung ang dalawang higit pang mga layer na may mas mababang refractive index kumpara sa mga gitna ay idinagdag sa magkabilang panig ng DHS laser crystal, pagkatapos ay isang kahawigliwanag na gabayistraktura na mas epektibong kumukuha ng radiation (DHS laserna may hiwalay na hawak, o "hiwalay na pagkakakulong na heterostructure”, SCHS- laser). Karamihan sa mga laser na ginawa nitong mga nakaraang dekada ay ginawa gamit ang teknolohiyang ito. Ang pagbuo ng modernong optoelectronics, solar energy ay batay sa quantum heterostructures: incl. may quantum "wells", quantum "dots".

5.3. DFB at VRPI lasers. Sa mga laser na mayipinamahagi ang feedback(ROS o “ipinamahagipuna” DFBlaser) malapitp- npaglipat, isang sistema ng transverse relief na "mga stroke" ay inilapat, na bumubuorehas na bakal. Salamat sa grating na ito, ang radiation na may isang wavelength lamang ay bumalik sa resonator, at ang henerasyon ay nangyayari dito, i.e. Ang pagpapapanatag ng wavelength ng radiation ay isinasagawa (mga laser para sa multi-frequency fiber-optic na komunikasyon).

Isang semiconductor "edge" laser na naglalabas ng liwanag sa direksyong patayo sa kristal na ibabaw at tinatawag na "vertical resonator surface-emitting" laser (VRTS laser, o "patayolukabibabaw- naglalabas”: VCSElaser), ay may simetriko na pattern ng radiation na may maliit na anggulo ng divergence.

Sa aktibong daluyan ng isang semiconductor laser, isang napakataas na pakinabang (hanggang sa 104 cm-1 ), dahil sa kung saan ang mga sukat ng aktibong elemento P. l. ang mga laser ay napakaliit (haba ng resonator - 50 μm ... 1 mm). Bilang karagdagan sa pagiging compact, ang mga tampok ng mga semiconductor laser ay: kadalian ng kontrol ng intensity sa pamamagitan ng pagbabago ng kasalukuyang halaga, mababang pagkawalang-galaw (~109 c), mataas na kahusayan (hanggang sa 50%), ang posibilidad ng parang multo na pag-tune at isang malaking seleksyon ng mga sangkap para sa henerasyon sa isang malawak na hanay ng parang multo mula sa UV, nakikita hanggang sa kalagitnaan ng IR. Kasabay nito, kumpara sa mga gas laser, ang mga semiconductor laser ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang medyo mababang antas ng monochromaticity at pagkakaugnay ng radiation at hindi maaaring maglabas sa iba't ibang mga wavelength nang sabay-sabay. Ang mga semiconductor laser ay maaaring maging single-mode o multi-mode (na may malaking lapad ng aktibong zone). Ang mga multimode laser ay ginagamit sa mga kaso kung saan ang isang device ay nangangailangan ng mataas na radiation power, at ang kondisyon ng low beam divergence ay hindi nakatakda. Ang mga lugar ng aplikasyon ng mga semiconductor laser ay: mga aparato sa pagpoproseso ng impormasyon - mga scanner, printer, optical storage device, atbp., Mga aparato sa pagsukat, pumping ng iba pang mga laser, mga designator ng laser, fiber optics at teknolohiya.

BIBLIOGRAPIYA

Karlov N.V.Mga lektura sa quantum electronics M.: Nauka, 1988. 2nd ed., -336s.
Zvelto O.Mga prinsipyo ng laser. M.: Mir, 1984, -395s.; ika-3 ed. 1990, 560s.; ika-4 na ed. 1998, -540s.
Pikhtin A.N.Optical at quantum electronics. M.: Mas mataas na paaralan, 2001. -573s.
Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu.Pisikal na optika. M.: Izd.MSU, 2004. 2nd ed. - 656p.
Malyshev V.A.Pisikal na pundasyon ng teknolohiya ng laser. M .: Mas mataas na paaralan, 200 -543s.
Tarasov L.V.Physics ng mga proseso sa mga generator ng magkakaugnay na optical radiation. M .: Radyo at komunikasyon, 1981, -440s.
Yakovlenko S.I., Evtushenko G.S.Mga pisikal na pundasyon ng quantum electronics. Tomsk: Ed. TGU, 2006. -363s.
Ivanov I.G., Latush E.L., Sam M.F.Ion lasers sa metal vapors. M.: Energoatomizdat, 1990. -256s.
Pisikal na encyclopedia. Sa 5 vol. M .: "Russian Encyclopedia". 1988-1998.
Ivanov I.G.Paglabas ng gas at ang aplikasyon nito sa photonics. Pagtuturo. Rostov n / a: Ed. SFedU, 2009. -96p.
Electronics. encyclopedic Dictionary. M.: Encyclopedia, 1991. -688s.
Ivanov V.A., Privalov V.E.Ang paggamit ng mga laser sa precision mechanics device. St. Petersburg: Polytechnic, 1993. -216p.;Golikova E.V., Privalov V.E.Pagkalkula ng mga linya ng pagsipsip para sa mga laser na pinatatag ng mga reference point ng yodo. Preprint #53. St. Petersburg: Institute of Analytical Instrumentation RAS. 1992.-47c.
Kalashnikov S.G.Kuryente. –M.: Fizmatlit. 2003. -624p.
Pisikal na encyclopedia // Chemical laser.URL: http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
Kryukov P.G. Femtosecond pulses. Panimula sa isang bagong larangan ng laser physics. – M.: Fizmatlit.2008. -208 Sa.
Yanovsky V. et al. Optics Express. 2008 Vol. 16. N3, P.2109- 2114 .