книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

усилитель света. Имея в виду то, что разность населенностей N2 – N1 приотивоположна по знаку той, которая существует при тепловом равновесии, говорят об инверсии населенностей.

Для превращения усилителя в генератор необходимо дополнить его положительной обратной связью, помещая активную среду в объемный резонатор между двумя зеркалами (см. рис. 10.1). Световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активную среду, непрерывно набирая энергию. Для самовозбуждения лазера необходимо достижение пороговых условий, при которых усиление света за счет вынужденного излучения в инвертированной среде начинает превышать величину потерь. Данное условие называют амплитудным условием самовозбуждения лазера. Другое условие самовозбуждения, называемое фазовым, состоит в том, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн генерируемого излучения. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

10.3.Схемы накачки

Встационарных условиях теплового равновесия процессы поглощения и вынужденного излучения компенсируют друг

друга (N2 = Nl), эта ситуация называется насыщением двухуровневой системы. В этой системе невозможно создать инверсию населенностей.

Втрехуровневом лазере (рис. 10.4, а) атомы «накачивают»,

суровня 1 (основного) на уровень 3. Если среда такова, что атом, возбужденный на уровень 3, быстро переходит на уровень 2 (в результате быстрого безызлучательного перехода), то в этой среде можно получить инверсию населенностей уровней 2 и 1.

Вчетырехуровневом лазере (рис. 10.4, б) атомы также пе-

реводят с основного уровня на уровень 4. Если после этого атом быстро переходит на уровень 3 (в процессе быстрой безызлучательной дезактивации), то можно и в этом случае получить ин-

241

версию населенностей уровней 3 и 2. Когда в таком четырехуровневом лазере начинается генерация, атомы за счет вынужденного излучения переходят с уровня 3 на уровень 2. Поэтому для работы четырехуровневого лазера в непрерывном режиме необходимо, чтобы переходы 2→1 также происходили очень быстро (обычно они обусловлены быстрыми безызлучательными переходами).

Рис. 10.4. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера

Для того чтобы обеспечивалось выполнение пороговых условий генерации, скорость накачки должна достигнуть пороговой или критической величины.

10.4. Свойства лазерных пучков

Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности

и яркости. К этим свойствам можно добавить еще одно, а именно – возможность генерации сверхкоротких импульсов света.

Свойство монохроматичности определяется следующими двумя обстоятельствами: во-первых, может быть усилена только электромагнитная волна с частотой ν0, определяемой выражением (10.1), во-вторых, генерация в резонаторе может происходить только на собственных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина спек-

242

тра лазерного излучения значительно меньше (до 10 порядков), чем обычная ширина линии перехода 2→1, наблюдаемая при спонтанном излучении.

Когерентность в первом приближении для любой электромагнитной волны характеризуется двумя независимыми ха-

рактеристиками: пространственной когерентностью и временной когерентностью.

Пространственную когерентность связывают с разностью фаз напряженностей электрического поля. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени, то говорят, что между этими двумя точками имеется полная когерентность. Если такая когерентность существует между любыми парами точек волнового фронта, то говорят, что данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью.

Понятие временной когерентности поясняется на рис. 10.5. Если разность фаз напряженностей поля остается постоянной при таких задержках времени τ, что 0 < τ < τ0, то говорят о частичной временной когерентности волны с характерным временем когерентности τ0.

Рис. 10.5. Пример электромагнитной волны с временем когерентности порядка τ0

Понятия временной и пространственной когерентности позволяют охарактеризовать только когерентность лазерного излучения первого порядка. Лазерное излучение принципиально от-

243

личается от света обычных источников за счет различий в соответствующих свойствах когерентности высших порядков.

Свойство направленности является простым следствием того, что активную среду помещают в резонатор. В случае плоскопараллельного резонатора, изображенного на рис. 10.1, только волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскостям зеркал (или очень близком к нему), будут оставаться в резонаторе. В результате суммирования когерентных пучков в резонаторе выходной пучок будет иметь такие же поперечные размеры, что и пучок, приходящий из одной зоны когерентности. Это отличает направленность лазерного пучка от луча обычного источника света, подверженного дифракционной расходимости.

Яркость источника электромагнитных волн определяется как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Яркость является важным параметром любого источника света. Если с помощью оптической системы формируется в воздушной среде изображение какого-либо источника света, то справедливо следующее: яркость изображения всегда меньше или равна яркости источника, при этом равенство сохраняется только в том случае, если в оптической системе нет потерь света, испущенного источником. Яркость лазера даже небольшой мощности на порядки превосходит яркость обычных источников света из-за высокой направленности лазерного пучка. Интенсивность сфокусированного лазерного излучения может достигать огромных величин, что используется во многих областях применения лазеров.

Применяя специальную технику, которая называется син-

хронизацией мод, возможно генерировать сверхкороткие им-

пульсы света, длительность которых примерно равна обратной ширине линии лазерного перехода 2→1. Так, длительность импульса газовых лазеров может достигать ~0,1–1 нс. Такие длительности не считаются достаточно малыми, даже некоторые лампы-вспышки могут излучать импульсы длительностью менее

244

1 нс. С другой стороны, ширина спектра излучени у некоторых твердотельных и жидкостных лазеров может быть в 103–10 5 раз больше, чем у газовых лазеров; в этом случае можно получать гораздо более короткие импульсы (вплоть до ~10 фс). Характерныйвидэтихимпульсовпредставленнарис. 10.6.

Рис. 10.6. Временной ход излучения лазера в режиме синхронизации мод

Свойство малой длительности импульса, предполагающее концентрацию энергии во времени, открывает новые возможности для исследовательских и технологических применений лазеров.

10.5. Типы лазеров

Различные типы лазеров, созданные к настоящему времени, демонстрируют широкий спектр физических и рабочих характеристик. Действительно, если лазеры классифицируют по физическому состоянию активной среды, то их называют твер-

дотельными, жидкостными или газовыми лазерами. К особому типу относят такие, в которых активная среда состоит из свободных электронов, движущихся с релятивистскими скоростями через пространственно-периодическое магнитное поле (лазеры на свободных электронах).

245

Если лазеры классифицируют по длине волны генерируемого излучения, то говорят о лазерах инфракрасного (ИК), види-

мого, ультрафиолетового (УФ) или рентгеновского диапазонов.

Соответствующие длины волн изменяются в пределах от ≈1 мм (т.е. от области миллиметровых волн) до ≈1 нм (т.е. до верхнего предела жесткого рентгеновского излучения). Разброс длин волн может достигать, таким образом, 106 (напомним, что видимый диапазон отвечает менее чем двукратному изменению длин волн – примерно от 400 до 700 нм).

Мощности излучения на выходе из лазеров перекрывают еще более широкий диапазон величин. У непрерывных лазеров типичные мощности составляют от нескольких мВт – в лазерах, используемых в качестве источников оптических сигналов, до нескольких МВт (≈5 МВт к настоящему времени) – в лазерах, необходимых для некоторых военных применений. У импульсных лазеров пиковая мощность может быть гораздо выше, чем у непрерывных, достигая таких гигантских величин, как 1000 ТВт (1015 Вт). Кроме того, длительность импульса лазерного излучения может изменяться в широких пределах – от нескольких мс, типичных для так называемого режима свободной генерации, до порядка 10 фс (1 фс = 10–15 с), что типично для некоторых лазеров с синхронизацией мод.

Сильно могут изменяться и геометрические размеры лазеров. В терминах длины резонатора, например, эта длина может быть малой, ~1 мкм, для наиболее коротких лазеров, и огромной, порядка нескольких километров, для наиболее протяженных (например, лазер для проведения геодезических исследований длиной 6,5 км, который был установлен в пещере).

Широта диапазона физических или рабочих характеристик лазеров является как достоинством, так и недостатком. Если говорить о применении, то широкий спектр параметров обеспечивает огромный потенциал возможного использования лазеров в различных областях фундаментальных и прикладных исследований. С другой стороны, с точки зрения рынка большое

246

разнообразие устройств и систем может служить препятствием для их массового производства и соответствующего удешевления продукции.

Рассмотрим примеры некоторыхконкретныхтиповлазеров.

Лазеры на углекислом газе

Этот лазер относится к семейству молекулярных лазеров, в которых излучение генерируется в результате переходов между колебательными энергетическими уровнями молекул. СО2-лазер генерирует инфракрасное излучение на длине волны 10,6 мкм. Данный лазер отличается высоким КПД (15–20 %) и высокой мощностью генерации в непрерывном режиме, которая может достигать 106 Вт.

На рис. 10.7 показаны типы колебаний молекулы СО2 (симметричное, деформационное, антисимметричное колебания), а на рис. 10.8 – квантовые уровни энергии, соответствующие этим колебаниям.

Возбуждение колебаний молекулы СО2 осуществляется путем электронного удара в электрическом разряде. Рабочее вещество СО2-лазера состоит из смеси углекислого газа, азота

Рис. 10.7. Типы колебаний молекулы углекислого газа

247

Их излучение с длиной волны около 800 нм весьма удобно при передаче информации по стекловолокнам.

В 60-х годах появились полупроводниковые лазеры на гетероструктурах (рис. 10.10), в которых активной средой является узкозонный слой с высоким квантовым выходом. Благодаря особенностям формы активной зоны такие лазеры легко присоединяются к волноводам. Ширина активной области лазера при такой геометрии может быть уменьшена до 1 мкм, вследствие чего пороговые токи могут достигать 1 кА/см2.

Рис. 10.10. Полосковый полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

В конце 80-х годов стало ясно, что гетеропереходы позволяют формировать потенциальные ямы для электронов и дырок, повышая концентрацию носителей, увеличивая инверсную заселенность электронов и дырок, снижая плотность порогового тока до ~50 А/см2.

Самый первый лазер с резонатором Фабри– Перо с само-

организующимися квантовыми точками был создан в 1994 году на основе точек из InGaAs в матрице GaAs (рис. 10.11). В настоящее время лазеры на квантовых точках (с излучением в ви-

250