Введення
Лазер являє собою джерело монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя. Саме слово В«лазерВ» складене з перших букв англійського словосполучення В«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation В», що означаєВ« посилення світла в результаті вимушеного випромінювання В». Дійсно, основний фізичний процес, що визначає дію лазера, - це вимушене випускання випромінювання. Воно відбувається при взаємодії фотона з порушеною атомом при точному співпадінні енергії фотона з енергією збудження атома (або молекули). В результаті цієї взаємодії збуджений атом переходить в збудженому стані, а надлишок енергії випромінюється у вигляді нового фотона з точно такою ж енергією, напрямком розповсюдження та поляризацією, як і у первинного фотона. Таким чином, наслідком даного процесу є наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів з порушеними атомами, аналогічними першого атома, може виникнути В«ланцюгова реакціяВ» розмноження однакових фотонів, В«летятьВ» абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появі вузьконаправленого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідна середу, в якій збуджених атомів було б більше, ніж не порушених, оскільки при взаємодії фотонів з незбудженими атомами відбувалося б поглинання фотонів. Така середа називається середовищем з інверсної населеністю рівнів енергії.
Отже, крім вимушеного випускання фотонів збудженими атомами відбувається також процес мимовільного, спонтанного випускання фотонів при переході збуджених атомів в збудженому стані і процес поглинання фотонів при переході атомів з збудженому стану в збуджений. Ці три процеси, супроводжуючі переходи атомів в збуджений стан і назад, були постульовано А. Ейнштейном в 1916 р. Якщо число збуджених атомів велика і існує інверсна населеність рівнів (у верхньому збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, збудженому), то перший же фотон, що народився в Внаслідок спонтанного випромінювання, викличе всенарастающую лавину появи ідентичних йому фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.
На можливість тиску світла в середовищі з інверсної населеністю за рахунок вимушеного випускання вперше вказав у 1939 р. радянський фізик В.А.Фабрікант, що запропонував створити инверсную населеність в електричному розряді в газі. При одночасному народження (принципово це можливо) великої кількості спонтанно іспущенних фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких буде поширюватися у своєму напрямку, заданому початковим фотоном відповідної лавини. У результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні направленого променя, ні високою монохроматичністю, так як кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Для того щоб середу з інверсної населеністю можна було використовувати, для генерації лазерного променя, тобто направленого променя з високою монохроматичністю, необхідно знімати инверсную населеність за допомогою первинних фотонів, вже володіють однією і тією ж спрямованістю випромінювання та однієї і тієї ж енергією, збігається з енергією даного переходу в атомі. У цьому випадку ми будемо мати лазерний підсилювач світла. Існує, однак, і інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний з використанням зворотного зв'язку. Спонтанно народилися фотони, напрямок розповсюдження яких не перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, що виходять за межі середовища. В той же час фотони, напрямок розповсюдження яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово посилюються в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне з дзеркал буде володіти невеликим пропусканням, то через нього буде виходити спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх налаштуванні відносно один одного і відносно поздовжньої осі середовища з інверсної населеністю зворотній зв'язок може виявитися настільки ефективною, що випромінюванням В«вбокВ» можна буде повністю знехтувати в порівнянні з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це, дійсно вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовують у більшості існуючих лазерів.
Створено безліч різноманітних типів лазерів, що працюють в різних режимах. Існують безперервно накачувати лазери (енергія збудження надходить у активний елемент лазера безперервно), випромінювання яких має вигляд або безперервного світлового потоку, або регулярної послідовності світлових імпульсів. Частота проходження лазерних імпульсів може бути дуже високою - до 107 імпульсів в секунду. Лазери з імпульсною накачкою (енергія збудження надходить в активний елемент окремими імпульсами) можуть випромінювати В«гігантські імпульси В»(тривалість імпульсу 10-8 с, інтенсивність імпульсу в максимумі до 106 кВт), а також надкороткі світлові імпульси (тривалість імпульсу 10-12 с, інтенсивність у максимумі до 109 кВт). В якості активних елементів лазерів застосовуються різні кристали, скла, напівпровідникові матеріали, рідини, а також газові середовища. Для порушення газових активних середовищ використовується електричний розряд в газі.
1. Рівні енергії для лазера на іонах аргону
аргоновий лазер фотон іонний
Активну середу іонних лазерів в загальному випадку утворює плазма тліючого розряду з високою щільністю струму. У найбільш звичайних типах іонних лазерів для практичних цілей використовуються іони інертних газів, найчастіше аргону. Спрощена схема рівнів енергії для лазера на іонах аргону наведена на рис. 1 із зазначенням деяких найбільш важливих лазерних переходів. Повна схема рівнів енергії складна і включає ще багато інших рівні та інші лазерні переходи, не показані на малюнку. Найбільш інтенсивні переходи мають довжини хвиль 0,4880 і 0,5145 мкм. Ці рівні є рівнями іона аргону, так що для роботи аргонового лазера атоми повинні бути попередньо одноразово іонізовані. Основним станом в цій схемі є основний стан іона аргону, яке розташоване вище основного стану нейтрального атома аргону майже на 16 еВ. Крім того, верхні лазерні рівні лежать приблизно на 20 еВ вище основного іонного стану. Звідси випливає, що нейтральному атома аргону повинна бути передана значна кількість енергії для того, щоб перевести його на верхній лазерний рівень іона аргону.
Рис. 1 Схема рівнів енергії однократно іонізованого аргону, що відносяться до роботи аргонового іонного лазера.
Основний стан іона Аr + виходить шляхом видалення одного з шести 3р-електронів зовнішньої оболонки аргону. Збуджені стани 4s і 4р виникають, коли один з залишилися 3р-електронів закидається на рівні відповідно 4s і 4p. З урахуванням взаємодії з іншими 3р-електронами обидва рівня 4s і 4р складаються з декількох рівнів. Збудження верхнього лазерного 4р-рівня відбувається за допомогою двоступеневого процесу, включає в себе зіткнення з двома різними електронами. При першому зіткненні аргон іонізується, тобто переходить в основний стан іона Аr. Що знаходиться в основному стані іон Аr + випробовує друге зіткнення з електроном, що може призвести до наступних трьом різним процесам: 1) безпосереднє збудження іона Аr + на 4р-рівень; 2) збудження в більш високо лежачі стану з подальшими каскадними випромінювальними переходами на рівень 4р; 3) збудження на метастабільні рівні з наступним третього зіткнення з електроном, призводить до збудження на 4р-рівень. Оскільки процеси 1 та 2 включають в себе два етапи, пов'язаних із зіткненнями з електронами, слід очікувати, що швидкість накачування у верхнє стан буде пропорційна квадрату щільності струму розряду. Дійсно, швидкість накачування верхнього стану (dN2/dt) p повинна мати вигляд (dN2/dt) p ~ NeNt ~ N2e, де Ne і Nt - щільності електронів та іонів у плазмі (Ne ≈ Ni в плазмі позитивного стовпа). Так як електричне поле в ...
