Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер
27.Ге́лий-нео́новый ла́зер.
Лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.
Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал - полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора - от 15 см до 0,5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.
Принцип действия : В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов. При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия 1S0 и излучательного уровня неона 2p55s ² оказываются примерно равными - 20.616 и 20.661 эВ соответственно. Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе: He* + Ne + ΔE → He + Ne* и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE - различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0.05 эВ берутся из кинетической энергии движения атомов. Заселённость уровня неона 2p55s ² возрастает и в определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p53p ². Наступает инверсия заселённости уровней - среда становится способной к лазерной генерации.При переходе атома неона из состояния 2p55s ² в состояние 2p53p ² испускается излучение с длиной волны 632.816 нм. Состояние 2p53p ² атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p53s а затем и в основное состояние 2p6 - либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p53s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p53s).Кроме того при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: тот же уровень 2p55s ² может перейти на 2p54p ² с излучением фотона с длиной волны 3.39 мкм, а уровень 2p54s ², возникающий при столкновении с другим метастабильным уровнем гелия, может перейти на 2p53p ², испустя при этом фотон с длиной волны 1.15 мкм. Также возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим телом лазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием допплеровского смещения. Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрих-кодов.
В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne ). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He ).
Схема накачки показана на рис. 4.2. В
результате столкновений с электронами
атомы гелия переходят с основного уровня
на уровень 2
S
. Эти
возбуждённые атомы гелия сталкиваются
с атомами неона и отдают им запасенную
энергию. В результате атомы неона
переходят с основного уровня на уровень,
который близко расположен к уровню2
S
гелия. В резуль-тате на
уровне неона создается з
начительная
насе-лённость. В то же время, уровень
населен мало, поскольку он быстро
очи-щается благодаря спон-танным
переходам на нижележащие уровни. На
переходе
возни-кает инверсная населенность.
Переход атома неона с верхнего
уровня на ниж-ний уровень
приводит к лазерному излучению с длиной
волны
мкм, что соответствует красному
свету.
П
усть
имеется среда, в которой создана инверсная
населенность, т.е. условие (4.7) имеет
место. В такой среде вынужденное излучение
сильнее, чем поглощение. Поэтому среда
будет усиливать проходящий свет с
частотойν
(длиной волныλ)
,
соответствующей переходу между уровнями
с инверсной населенностью (см. формулу
(4.2)). Однако это усиление невелико: в
гелий-неоновом лазере свет, пройдя в
активной среде путь в1
м, усиливается
всего на2
%. Поэтому для получения
яркого излучения необходимо, чтобы путь
света в активной среде был очень длинным.
Это достигается с помощьюоптического
резонатора
. Активная среда с инверсной
населенностью и оптический резонатор
– две основные части любого лазера.
На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодК и анодА . При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5 кВ, ток через трубку достигает30 mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.
Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1 иЗ2 (плоские или сферические), одно из которых (З2 ) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.
Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.
Излучение гелий-неонового лазера
эллиптически-поляризованно. Это вызвано
тем, что окна газоразрядной трубки
установлены под углом Брюстера
.
Отражение проходящего света от окон
газоразрядной трубки подавляет лазерную
генерацию. Устанавливая окна под углом
Брюстера, добиваются того, что свет, в
котором векторЕ
колеблется в
плоскости падения, проходит через окно
практически без отражения.
В результате
только такой поляризованный свет
генерируется лазером.
Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.
Целью работы является исследование основных характеристик и параметров газового лазера, в качестве активного вещества в котором используется смесь газов гелия и неона.
3.1. Принцип действия гелий-неонового лазера
Гелий-неоновый лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Он относится к атомарным газовым лазерам и его активной средой служит смесь нейтральных (неионизированных) атомов инертных газов – гелия и неона. Неон является рабочим газом, и между его энергетическими уровнями происходят переходы с испусканием когерентного электромагнитного излучения. Гелий исполняет роль вспомогательного газа и способствует возбуждению неона и созданию в нем инверсии населенности.
Для начала генерации в любом лазере должны быть выполнены два важнейших условия:
1. Между рабочими лазерными уровнями должна существовать инверсия населенности.
2. Усиление в активной среде должно превышать все потери в лазере, в том числе «полезные» потери на вывод излучения.
Если в системе существуют два уровня Е 1 и Е 2 с числом частиц на каждом из них соответственно N 1 и N 2 и степенью вырождения g 1 и g 2 , то инверсия населенностей будет происходить, когда населенность N 2 /g 2 верхнего уровня Е 2 будет больше населенности N 1 /g 1 нижнего уровня Е 1 , то есть степень инверсии ΔN будет положительна:
Если уровни Е 1 и Е 2 невырождены, то для возникновения инверсии необходимо, чтобы число частиц N 2 на верхнем уровне Е 2 было больше числа частиц N 1 на нижнем уровне Е 1 . Уровни, между которыми возможно образование инверсии населенностей и возникновение вынужденных переходов с испусканием когерентного электромагнитного излучения, называют рабочими лазерными уровнями .
Состояние с инверсией населенностей создается с помощью накачки – возбуждения атомов газа различными методами. За счет энергии внешнего источника, называемого источником накачки , атом Ne с основного уровня энергии E 0 , соответствующего состоянию термодинамического равновесия, переходит в возбужденное состояние Ne*. Переходы могут происходить на различные энергетические уровни в зависимости от интенсивности накачки. Далее происходят спонтанные или вынужденные переходы на нижележащие уровни энергии.
В большинстве случаев нет необходимости рассматривать все возможные переходы между всеми состояниями в системе. Это дает возможность говорить о двух-, трех- и четыхуровневых схемах работы лазеров. Вид схемы работы лазера определяется свойствами активной среды, а также используемым методом накачки.
Гелий-неоновый
лазер работает по трехуровневой схеме,
как показано на рис. 3.1. В этом случае
каналы накачки и генерации излучения
частично разделены. Накачка активного
вещества вызывает переходы с основного
уровня E
0
на возбужденный уровень E
2 ,
что приводит к возникновению инверсии
населенностей между рабочими уровнями
E
2
и E
1 .
Активная среда, находящаяся в состоянии
с инверсией населенностей рабочих
уровней, способна усиливать электромагнитное
излучение с частотой
за счет процессов вынужденного испускания.
Рис. 3.1. Схема энергетических уровней рабочего и вспомогательного газа, поясняющая работу гелий-неонового лазера
Так
как уширение уровней энергии в газах
мало и широкие полосы поглощения
отсутствуют, то получение инверсной
населенности с помощью
оптического
излучения затруднено. Однако в газах
возможны другие методы накачки: прямое
электронное возбуждение и резонансная
передача энергии при столкновении
атомов. Возбуждение атомов при столкновении
с электронами может быть проще всего
осуществлено в электрическом разряде,
где ускоренные электрическим полем
электроны
могут приобрести значительную кинетическую
энергию. При неупругих столкновениях
электронов с атомами последние переходят
в возбужденное состояниеE
2:
Важно, что процесс (3.4) носит резонансный характер: вероятность передачи энергии будет максимальна, если возбужденные энергетические состояния различных атомов совпадают, т. е. находятся в резонансе.
Подробно уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рис. 3.2. Переходы, соответствующие неупругим взаимодействиям атомов газов с быстрыми электронами (3.2) и (3.3), показаны пунктирными стрелками вверх. Атомы гелия в результате электронного удара возбуждаются на уровни 2 1 S 0 и 2 3 S 1 , которые являются метастабильными. Излучательные переходы в гелии в основное состояние 1 S 0 запрещены правилами отбора. При столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne, находящимися в основном состоянии 1 S 0 , возможна передача возбуждения (3.4), и неон переходит на один из уровней 2S или 3S. При этом выполняется условие резонанса, поскольку энергетические зазоры между основными и возбужденными состояниями во вспомогательном и рабочем газе близки между собой.
С уровней 2S и 3S неона могут происходить излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Уровни Р менее заселены, чем верхние уровни S, так как прямая передача энергии от атомов He на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни Р обладают малым временем жизни, и безызлучательный переход Р→1S опустошает уровни Р. Таким образом, возникает ситуация (3.1), когда населенность верхних уровней S выше населенности нижележащих уровней Р, т. е. между уровнями S и P возникает инверсия населенности, а значит переходы между ними могут использоваться для лазерной генерации.
Так как число уровней S и Р велико, то возможен большой набор различных квантовых переходов между ними. В частности, с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S→2Р является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра). Для переходов 3S→2Р наиболее значима линия 0,6328 мкм (красная область), а для 3S→3Р – 3,3913 мкм (ИК-область). Спонтанное излучение происходит на всех перечисленных длинах волн.
Рис. 3.2. Энергетические уровни атомов гелия и неона и схема работыHe-Ne-лазера
Как указывалось ранее, после излучательных переходов на уровни Р происходит безызлучательный радиационный распад при переходах Р→1S. К сожалению, уровни неона 1S являются метастабильными, и если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в основное состояние с уровня 1S является соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы увеличивается при уменьшении диаметра разрядной трубки. Поскольку состояния 1S неона опустошаются медленно, то атомы Nе задерживаются в этих состояниях, что является весьма нежелательным и определяет ряд особенностей этого лазера. В частности, при увеличении тока накачки выше порогового значения j пор происходит быстрое увеличение, а затем насыщение и даже спад мощности лазерного излучения, что как раз и объясняется накоплением рабочих частиц на уровнях 1S и затем их перебросом в состояния 2Р или 3Р при столкновении с электронами. Это не дает возможности получать высокие выходные мощности излучения.
Возникновение инверсной населенности зависит от давления He и Ne в смеси и температуры электронов. Оптимальные значения давлений газов составляют для Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура электронов задается напряжением, прикладываемым к газовой смеси. Обычно это напряжение поддерживается на уровне 2…3 кВ.
Для получения лазерной генерации необходимо, чтобы в лазере существовала положительная обратная связь, иначе прибор будет работать только как усилитель. Для этого активную газовую среду помещают в оптический резонатор. Кроме создания обратной связи резонатор используется для селекции типов колебаний и отбора длины волны генерации, для чего применяются специальные селективные зеркала.
При
уровнях накачки, близких к пороговому,
сравнительно легко осуществляется
генерация на одном типе колебаний. С
увеличением уровня возбуждения, если
не принимается специальных мер, возникает
ряд других мод. В этом случае генерация
происходит на частотах, близких к
резонансным частотам резонатора, которые
заключены в пределах ширины атомной
линии. В случае аксиальных типов колебаний
(ТЕМ 00 -мод)
расстояние по частоте между соседними
максимумами
,
гдеL
– длина резонатора. В результате
одновременного присутствия нескольких
мод в спектре излучения возникают биения
и неоднородности. Если бы существовали
только аксиальные моды, то спектр
представлял бы собой отдельные линии,
расстояние между которыми было бы равно
c
/
2L
.
Но в резонаторе возможно также возбуждение
неаксиальных типов колебаний, например
ТЕМ 10 -мод,
наличие которых сильно зависит от
настройки зеркал. Поэтому в спектре
излучения появляются дополнительные
линии-спутники, расположенные симметрично
по частоте по обе стороны от аксиальных
типов колебаний. Возникновение новых
типов колебаний с увеличением уровня
накачки легко определяется при визуальном
наблюдении структуры поля излучения.
Также визуально можно наблюдать влияние
юстировки резонатора на структуру мод
когерентного излучения.
Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается, а излучение гелий-неонового лазера характеризуется хорошей стабильностью частоты и высокой направленностью, которая достигает своего предела, обусловленного дифракционными явлениями. Дифракционный предел расходимости для конфокального резонатора
|
|
,где λ – длина волны; d 0 – диаметр светового пучка в наиболее узкой его части.
Излучение гелий-неонового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Ширина линий излучения такого лазера значительно ỳже «естественной» ширины спектральной линии и на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров. Поэтому для ее определения проводят измерение спектра биений различных мод в излучении. Кроме того, излучение этого лазера плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси резонатора.
Доказательством когерентности излучения может быть наблюдение дифракционной картины при наложении излучений, полученных из различных точек источника. Например, когерентность можно оценить, наблюдая интерференцию от системы нескольких щелей. Из опыта Юнга известно, что для наблюдения интерференции света от обычного «классического» источника излучение сначала пропускают через одну щель, а затем через две щели, и тогда на экране образуются интерференционные полосы. В случае же использования лазерного излучения первая щель оказывается ненужной. Это обстоятельство является принципиальным. Кроме того, расстояние между двумя щелями и их ширина могут быть несоизмеримо больше, чем в классических опытах. У выходного окна газового лазера располагают две щели, расстояние между которыми 2a . В случае, когда падающее излучение когерентно, на экране, расположенном на расстоянии d от щелей, будет наблюдаться интерференционная картина. При этом расстояние между максимумами (минимумами) полос
|
|
.Лазеры
Оптическими квантовыми генераторами, или лазерами, называют устройства, создающие когерентные электромагнитные волны в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения. Слово «лазер» образовано из первых букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света вынужденным излучением.
Любой лазер содержит 3 компонента:
1) рабочее тело,
2) система накачки,
3) оптический резонатор. Рассмотрим назначение каждого из них.
1. Рабочее тело – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В качестве активной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечивать инверсную населенность. (В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО 2 -лазера). В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.
Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры – вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно-возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазерным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer – возбужденный димер).
2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки
«Оптическая» накачка – возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры.
Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда присутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня.
Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).
3. Оптический резонатор – это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча.
Процесс генерации излучения. Рассмотрим, как происходит процесс генерации. Система накачки создает в рабочем теле инверсную населенность. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбужденное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.
Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. За счет этого возрастает число их взаимодействий с возбужденными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей.
Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического, когерентного света. Эффективность такого преобразования, то есть КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПДсоставляет 0,1-1 %.
Рубиновый лазер. Рассмотрим создание инверсной населенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах.
Рубин – это кристаллическая окись алюминия AI 2 O 3 , являющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0,05 %. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспечивает лазерную генерацию.
Из всего множества энергетических уровней атома хрома в (в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный с время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни (рис.).
Для создания инверсной населенности рубин облучают мощным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой n 02 , соответствующей переходу частиц – атомов хрома – между уровнями 0 и 2. Фотоны внешнего облучения с частотой n 02 не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенности используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уровень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.
Фотоны внешнего облучения n 02 не могут вызвать индуцированное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (n 01)- Поэтому на уровне 1 постепенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 происходит спонтанно и сопровождается излучением с длиной волны 694,3 нм.
Гелий-неоновый лазер. Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий-неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10:1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0,1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. На рис. показаны энергетические уровни атомов гелия и неона.
Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенности уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.
Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уровнем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состояние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у атомов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденным атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 632,8 нм, мощностью 100 мВт.
Гелий-неоновый лазер
Кроме Шавлова, еще два исследователя Bell Labs работали в 1958 г. над проблемой лазера: Али Джаван и Джон Сандерс. Джаван был иранцем по происхождению. Он получил докторскую степень в 1954 г. под руководством Таунса по теме радиоспектроскопии. Он четыре года оставался в группе Таунса, работая в области радиоспектроскопии и мазеров. После защиты диссертации, когда Тау не был в творческом отпуске в Париже и в Токио, Джаван стал более активно заниматься мазерами и пришел к идее трехуровнего мазера, прежде чем группа из Bell Labs опубликовала экспериментальную работу по этой теме. Он нашел метод получения усиления безынверсной населенности, используя, в частности, эффект Рамана в трехуровневой системе, однако он опубликовал свои результаты позже, чем группа из Bell.
В апреле 1958 г., когда он искал место в Bell Labs, общался с Шавловым, который рассказал ему о лазерах. В августе 1958 г. он был принят в Bell Labs, и в октябре начал систематические исследования по лазерам. Первоначально он имел там этические затруднения. Компания RCA предварительно изучила его записи о трехуровневом мазере и установила, что его даты предшествуют датам группы из Bell. RCA заплатила ему $1000 за право на патент, и начала спор с Bell, где Джаван уже работал. В течение примерно шести месяцев Джаван имел дело с юристами из RCA и Bell Labs. К счастью, RCA провела маркетинговое исследование и, убедившись, что этот мазерный усилитель не сулит прибыли, прекратила дело, оставив патент Bell Labs.
Итак, Джаван мог всецело посвятить себя лазеру. Он думал построить его, используя газы, и опубликовал предполагаемую конструкцию в Physical Review Letters в 1959 г. Он решил использовать газ в качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако он думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов прямо в возбужденное состояние, и рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями с электронами в среде чистого неона, либо путем столкновений второго рода. В последнем случае разрядная трубка наполняется двумя газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями с электронами в электрическом разряде, могут передавать свою энергию атомам второго газа, возбуждая их. Некоторые смеси газов имели структуру энергетических уровней, которая удовлетворяла этим условиям. Фактически, необходимо, чтобы энергетический уровень второго газа имел энергию, практически равную энергии возбуждения первого газа. Из возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия и неона, уровни которых показаны на рис. 54. Он считал, что любой физический процесс стремится к установлению больцмановского распределения энергии по уровням (т.е. населенность нижнего уровня больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда с инверсной населенностью может получиться в стационарном процессе только в результате конкуренции различных физических процессов, протекающих с разной скоростью.
Это можно лучше понять на примере с рассмотрением дерева с ветками (две на рис. 55), на которых сидят обезьяны. Рассмотрим сперва населенность согласно больцмановской статистике, т.е., скажем, четыре обезьяны сидят на верхней ветке (1), пять на нижней (2) и шесть на земле (3, основной уровень). Из этих трех уровней основной наиболее населен, и чем выше уровень, тем менее он заселен. Однако обезьяны не сидят на месте, но прыгают по веткам (для примера мы можем полагать, что это происходит каждую минуту). Населенности на уровнях при этом остаются одними и теми же во времени (равновесная ситуация). Предположим теперь, что мы продолжаем заселять ветки с той же скоростью (одна обезьяна за минуту), но в то же время мы смачиваем ветку 2 и делаем ее скользкой. Теперь обезьяны не могут оставаться на ней более, например, 10 секунд. Поэтому эта ветка быстро расселяется, и вскоре на ветке 1 оказывается больше обезьян, чем на ветке 2. Таким образом, получается инверсная населенность из-за того, что время пребывания обезьяны на разных ветках различно. Хотя это очень примитивные рассуждения, но они помогают понять соображения Джавана.
Выбор гелий-неоновой смеси проходил через тщательный отбор, чтобы получить систему, обещающую оптимальную среду, и лишь последующий успех принес a posteriory полное доверие Джавану. Даже после того, как он убедился, что гелий-неон является лучшей смесью, находилось немало скептиков, которые говорили ему, что газовый разряд слишком хаотичен. Они говорили, что слишком много неопределенностей, и его попытки напоминают охоту на диких гусей.
Рис. 54. Энергетические уровни гелия (Не) и (Ne). Показаны главные лазерные переходы
Рис.55. Обезьяны на дерене распределяются согласно статистике Больцмана. Их больше на земле, и их число уменьшается по мере высоты веток
Джаван потратил много денег, но, к счастью, система заработала, иначе администрация уже готова была закрыть проект и прекратить эксперименты. К концу проекта на это исследование были затрачены два миллиона долларов. Хотя эта сумма, по-видимому, преувеличена, проект, несомненно, требовал значительных затрат.
Между тем, Джон Сандерс, физик экспериментатор из Оксфордского университета, был приглашен в Bell Labs, чтобы он попытался реализовать инфракрасный лазер. В течение менее одного года, выделенного на это исследование, Сандерс не тратил времени на теоретическое изучение, а сразу решил возбуждать чистый гелий в разрядной трубке с резонатором Фабри-Перо внутри ее. Он пытался получить лазерный эффект путем проб и ошибок, варьируя параметры разряда. Максимальное расстояние, на котором можно было установить зеркала, все еще остающимися параллельными друг другу, было 15 см. Сандерс не использовал разрядные трубки большей длины. Джаван считал это принципиальным ограничением. Он предполагал, что усиление в газе очень мало и резонатор Сандерса не заработает. Трубка, которую использовал Джаван, была намного длиннее, и поскольку крайне трудно было настроить зеркала Фабри-Перо на таком расстоянии, он решил сперва определить требуемые значения параметров для работающего устройства, а затем уж постараться настроить зеркала методом проб и ошибок. Так он работал. Без всей предварительной работы по выбору режима He-Ne для получения известного усиления, было невозможно добиться успеха.
Сандерс послал письмо в Physical Review Letters, в котором сообщал, что было трудно получить достаточное число возбужденных атомов с помощью импульсной лампы, и предлагал использовать возбуждение, производимое ударами электронов. Такое возбуждение легко осуществить при электрическом разряде в газе или в парах. Инверсия населенности могла быть получена, если в активном материале существуют возбужденные состояния с большими временами жизни, а также состояния с более низкими энергиями и с короткими временами жизни (как мы рассматривали в примере с обезьянами).
Сразу же после этой статьи, в том же выпуске Physical Review Letters, А. Джаван опубликовал свою статью, в которой также рассматривал эти проблемы, и среди других схем предложил одну очень оригинальную. Рассмотрим долго живущее состояние в газе. В условиях разряда это состояние можно заселить подходящим образом из-за его большого времени жизни. Если теперь возбужденное состояние второго газа имеет энергию очень близкую к этому долго живущему состоянию, то очень вероятно, что при столкновении энергия будет передана от первого атома ко второму, который станет возбужденным. Если этот атом имеет другие состояния с более низкими энергиями, то они останутся невозбужденными и, тем самым может получиться инверсная населенность между состоянием с высокой энергией по отношению к состоянию с более низкой энергией. В своей работе Джаван упомянул о смесях криптона и ртути, а также о смеси гелия с неоном. Эта работа была опубликована в Physical Review Letters 3 июня 1959 г.
Джаван работал в тесном контакте с Вильямом Р. Беннеттом мл., спектроскопистом из Йельского университета, и который был другом Джавана в Колумбии. Они работали до самой ночи целый год. Осенью 1959 г. Джаван попросил Дональда Р. Херриота, специалиста по оптической аппаратуре в Bell Labs, участвовать в работе над проектом. Одной из принципиальных проблем, было снабдить разрядную трубку двумя прозрачными окнами очень высокого оптического качества, чтобы не искажать выходной пучок. Также требовалось установить зеркала резонатора. Была разработана схема (рис. 56) с зеркалами внутри разрядной трубки, снабженная специальными устройствами с микрометрическими винтами, которые обеспечивали возможность тонкой настойки зеркал по углам. В сентябре 1959 г. Беннетт перешел из Йеля в Bell Labs и вместе с Джаваном начал программу интенсивных и тщательных исследований с расчетами и измерениями спектроскопических свойств гелий-неон смесей при различных условиях, с целью определить факторы, определяющие получение инверсии. Они установили, что при наилучших условиях можно получить лишь очень малое усиление, порядка 1,5%. Такое малое усиление делало совершенно необходимым минимизировать потери и использовать зеркала с наибольшим возможным коэффициентом отражения. Такие зеркала получают путем нанесения на прозрачную поверхность (стекло) многих слоев подходящих (прозрачных) диэлектрических материалов с разными коэффициентами преломления. Высокий коэффициент отражения получается за счет многолучевой интерференции при отражениях на границах между слоями. Три исследователя сумели использовать такие зеркала, которые на длине волны 1.15 мкм имели коэффициент отражения 98,9%.
Рис. 56. Схема гелий-неонового лазера, построенного Джаваном, Беннеттом и Хериоттом
В 1960 г. Джаван, Беннетт и Хериотт наконец испытали свой лазер. Сначала они пытались осуществить электрический разряд в кварцевой трубке, содержащей газовую смесь, с помощью мощного магнетрона, но трубка плавилась. Пришлось переделать аппаратуру и внести изменения. 12 декабря 1960 г. они стали работать с новой трубкой и организацией разряда. Они пытались настроить зеркала, чтобы получить лазерную генерацию, но безуспешно. Затем, в полдень, Хериотт увидел сигнал: «Я, как обычно, поворачивал микрометрические винты одного из зеркал, когда, внезапно, появился сигнал на осциллографе. Мы настроили монохроматор и зарегистрировали пик сигнала на длине волны 1,153 мкм, т.е. на ожидаемой длине волны». Родился первый лазер, использующий газ в качестве активной среды, и работающий в непрерывном режиме! Его излучение было в ближнем ИК-диапазоне и поэтому невидимое глазом. Для регистрации требовался подходящий приемник, связанный с осциллографом.
А шестью месяцами ранее, техник Эд Баллик, помогавший в работе, позднее получивший степень в Оксфордском Университете и преподававший в Канаде, купил бутылку вина столетней давности. Она предназначалась для торжественного момента - по случаю работы лазера. Когда, наконец, эксперименты по созданию лазера привели к успеху, через несколько дней Джаван позвонил главе Bell Labs и пригласил его обмыть событие столетним вином. Тот страшно обрадовался, но потом воскликнул: «Черт, Али. У нас проблема!». Это произошло с утра, Джаван, так и не понял в чем проблема. Но в полдень по лаборатории был распространен циркуляр, уточняющий предыдущий, выпущенный несколькими месяцами ранее, и запрещающий распитие алкоголя на территории научного центра. Уточнение запрещало распивать любой алкоголь, возраст которого не достиг 100 лет. После этого они подняли бокалы за успех, не нарушив правила!
Первый лазер работал на переходе с длиной волны 1,15 мкм, ближнем ИК-диапазоне. Джаван использовал зеркала, которые имели максимальное отражение на этой длине волны, которая соответствует одному из возможных переходов неона. Он знал, что были и другие возможные длины волн. Он выбрал эту длину волны, поскольку его исследования показали, что на ней можно ожидать наибольшее усиление. Чтобы использовать переходы в видимой области, требовалась трубка с таким малым диаметром, что невозможно было настроить плоские зеркала, которые в то время использовались для резонатора Фабри-Перо.
В лазере Джавана разрядная трубка содержала неон и гелий при давлении 0,1 и 1 торр соответственно (1 торр - почти тысячная часть давления в одну атмосферу). Трубка из плавленого кварца имела длину 80 см и диаметр 1,5 см. На каждом конце была металлическая полость, в которых располагались плоские зеркала с высоким отражением. Использовались гибкие рукава (сильфоны), позволяющие микрометрическими винтами настраивать (путем прецизионных наклонов) зеркала Фабри-Перо. Это позволяло обеспечить параллельность с точностью до 6 угловых секунд. На концах располагались плоские стеклянные окна с поверхностями, отполированными с точностью, лучшей 100 А. Они позволяли выпускать пучок излучения без искажений. Электрический разряд возбуждался с помощью внешних электродов, используя генератор на 28 МГц с мощностью 50 Вт. Зеркала с высоким отражением получались напылением 13 слоев диэлектрических материалов (MgF 2 , ZnS). В области между 1,1 и 1,2 мкм коэффициент отражения был 98,9%. Лазер работал в непрерывном режиме и был первым лазером этого типа.
Следуя примеру Hughes, исследовательский центр Bell Labs также устроил публичную демонстрацию гелий-неонового лазера 14 декабря 1960 г. Чтобы продемонстрировать возможную важность для коммуникаций, была организована передача телефонного разговора, используя пучок лазерного излучения, который модулировался телефонным сигналом.
Этот лазер стали называть He-Ne-лазером, используя химические символы его компонент для названия. Он был представлен прессе 31 января 1961 г. Работа, описывающая его, была опубликована 30 декабря 1960 г. в Physical Review Letters.
В то время, когда Джаван проводил эксперименты весной 1960 г., два исследователя Bell Labs, А. Фокс и Т. Ли, стали изучать вопрос, какие моды существуют в резонаторе Фабри-Перо. Дело в том, что резонатор Фабри-Перо сильно отличается от микроволновых резонаторов в виде замкнутых полостей. Они определили вид этих мод, и их результат побудил других исследователей Bell Labs, Гэри Д. Бонда, Джеймса Гордона и Хервига Когельника, найти аналитические решения в случае зеркал сферической формы. Важность изучения оптических резонаторов для развития газовых лазеров нельзя недооценивать. До того как были получены эти результаты, газовый лазер был, в лучшем случае, маргинальным устройством, генерация которого в сильнейшей степени зависела от юстировки концевых зеркал. Теоретические исследования резонаторов со сферическими зеркалами показали, что могут быть конфигурации, относительно слабо зависящие от юстировки зеркал, а внутренние потери в резонаторе могут быть меньшими, чем в резонаторе с плоскими зеркалами. Это позволяет использовать активные среды со значительно меньшими, чем думали раньше, усилениями. От резонатора с плоскими зеркалами практически отказались, и все открытия новых газовых лазеров делались с помощью резонаторов со сферическими зеркалами.
В 1961 г. в Bell Labs началась большая программа лазерных исследований. Исследователей, занятых другими проблемами, переориентировали на новую тематику, были приняты новые сотрудники. Решение использовать в резонаторе два одинаковых сферических зеркала, расположенных в положении их фокусов (такая конфигурация называется конфокальным резонатором), показало, каких трудностей мог бы избежать Джаван, если бы использовал такой резонатор. В результате, Вильям В. Ригрод, Хервиг Когельник, Дональд Р. Хериотт и Д. Дж. Брангачио построили весной 1962 г. первый конфокальный резонатор со сферическими зеркалами, которые концентрируют свет к оси разрядной трубки, причем эти зеркала помещались вне трубки. Это позволило получить генерацию на красной линии 6328 А. Часть света неизбежно теряется при отражениях от поверхностей окон (френелевское отражение). Этих потерь, однако, можно избежать, если наклонить окна под определенным углом, называемым углом Брюстера. В этом случае для света определенной поляризации потери практически равны нулю. Такая новая конфигурация лазера показана на рис. 57.
Рис. 57. Конфокальный оптический резонатор. Трубка, в которой газ возбуждается электрическим разрядом, закрыта окошками, наклоненными под углом Брюстера. Вогнутые зеркала с равными радиусами кривизны располагаются за трубкой так, чтобы расстояние между ними было равно радиусу кривизны
Красный He-Ne-лазер стал широко применяться, и до сих пор находит использование, в частности, в медицине. Кроме того, он сильно способствует пониманию принципиальных различий между лазерным (высококогерентным) и обычным (некогерентным) светом. С помощью этого лазера легко наблюдаются явления интерференции, а также модовая структура лазерного пучка, которая легко и наглядно изменяется небольшим наклоном зеркала резонатора. Также стимулировалась разработка других, многочисленных типов лазеров.
Современный He-Ne-лазер может генерировать на одном из нескольких переходах, показанных на рис. 54. Для этого могослойные зеркала изготавливаются с максимальным отражением на нужной длине волны. Генерация получается на длинах волн 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А° и даже при использовании особых зеркал, на длинах волн 5433 А (зеленая линия), 5941 А° (желтая линия), 6120 А° (оранжевая линия).
Из книги автораВторой твердотельный лазер В сентябре 1959 г. Таунс организовал конференцию «Квантовая электроника - резонансные явления», на которой, хотя лазер еще не был создан, большинство неформальных дискуссий концентрировалось на лазерах.В этой конференции приняли участие Петер
Из книги автораЦезиевый лазер 1961 г. был годом реализации еще двух лазеров, над которыми специалисты работали с самого начала появления концепции лазера. Одним из них был цезиевый лазер. После того как Таунс и Шавлов написали свою работу, было решено, что Таунс попытается построить лазер
Из книги автораНеодимовый лазер Другой лазер, запущенный в 1961 г. и все еще остающимся одним из главных, - лазер на неодимовом стекле. В 1959-1960 гг. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые проводил один из ее ученых, Элиас Снитцер. Эта
Из книги автораСуществует ли лазер в природе? Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO2 лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было
Из книги автора Из книги автораЛазер и Луна Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет,