ВУЗ:
Составители:
38
бирательное направление пуч-
ка фотонов и формирующее
выходящий световой пучок).
Первым твердотельным
лазером, работающим в види-
мой области спектра (длина
волны излучения 0,6943
мкм), был рубиновый лазер,
созданный в 1960 г.
(Т.Мейман, США). На рис.16.1 представлена схема рубинового лазера.
В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровне-
вой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым.
Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А1
2
Оз, в кри-
сталлической решетке которого некоторые из атомов А1 замещены
трехвалентными ионами Сг
э+
(0,03 и 0,05% ионов хрома соответствен-
но дня розового и красного рубина). Для оптической накачки исполь-
зуется импульсная газоразрядная лампа (2), спирально закрученная
вокруг рубинового стержня (1). При интенсивном облучении рубина
светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего
уровня на уровни широкой полосы 3 (рис. 16.2). Так как время жизни
атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше 10
-7
с), то осу-
ществляются либо спонтанные переходы 3→1 (они незначительны),
либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он
называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке
кристалла рубина. Переход 2→1 запрещен правилами отбора, поэто-
му длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка
10
-3
с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3.
Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При доста-
точной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо
больше, чем на уровне 1, т. е. воз-
никает среда с инверсной населен-
ностью уровня 2.
Рубиновый стержень лазера
представлял собой цилиндр, торцы
которого были тщательно отполи-
рованы и покрыты слоем серебра
таким образом, что один торец пол-
ностью отражал свет, а другой –
частично отражал и частично про-
пускал свет. При вспышке лампы
E
3
3
E
2
Безызлучательный
переход
2
Н
акачка
Спонтанные λ=0,6943 мкм
переходы
E
1
1
Δt~10
-8
c Δt~10
-3
c t
Рис.16.2.
39
накачки в рубиновый стержень попадают фотоны различных частот. Ато-
мы хрома, поглотив часть фотонов определенной энергии, переходят в
возбужденное состояние. За счет ограниченных спонтанных переходов в
стержне может возникнуть вынужденное излучение, распро-
страняющееся строго вдоль его оси и усиливающееся при многократных
отражениях от торцовых зеркал, которые выполняют роль объемного ре-
зонатора. В результате возникает мощное монохроматическое излучение
– световой импульс, часть которого выходит через полупрозрачное зерка-
ло. Длительность такого импульса 10
–3
с. Это связано с тем, что все возбу-
жденные ионы хрома за это время переходят в невозбужденное со-
стояние. Световой луч лазера строго направлен и обладает малой расхо-
димостью. Объемный резонатор лазера служит для создания положи-
тельной обратной связи и для формирования геометрических параметров
выходного луча лазера.
Не вся энергия, поглощенная рубиновым стержнем, превращается в
лазерное излучение. Часть ее, довольно значительная (≈50%), тратится на
нагревание стержня, поэтому в конструкции лазера предусмотрено охла-
ждение 3. При температуре стержня порядка 1000 К рубиновый лазер
разрушается.
Существует большое количество лазерных материалов: стекло, в
которое введены ионы неодима, флюорит кальция с иона ми самария и
др. Они дают световое излучение различных длин волн: рубиновый
лазер – 0,694 мкм, лазер на стекле с неодимом – 1,06 мкм (инфракрас-
ное излучение). В лазерах в качестве активной среды могут быть ис-
пользованы газы или смеси газов (Ne, Ar, Ne–Не, СО
2
и др.). В газо-
вых лазерах атомы активной среды часто возбуждают высокочастот-
ным разрядом. Как правило, излучение газовых лазеров непрерывно.
Созданы полупроводниковые, химические, газодинамические и другие
лазеры.
Лазерное излучение обладает следующими свойствами:
1) временная и пространственная когерентность;
2) строгая монохроматичность;
3) большая плотность потока энергии;
4) очень малое угловое расхождение в пучке.
Необычные свойства лазерного излучения нашли широкое
применение. Например, в светолучевых станках с помощью лазерного
луча делают отверстия в часовых камнях из рубина, алмаза, в туго-
плавких сплавах и труднообрабатываемых металлах. В микроэлектро-
нике с помощью лазеров производят сварку различных соединений
для микросхем, напыляют полупроводниковые слои и т.д.
38 39
бирательное направление пуч- накачки в рубиновый стержень попадают фотоны различных частот. Ато-
ка фотонов и формирующее мы хрома, поглотив часть фотонов определенной энергии, переходят в
выходящий световой пучок). возбужденное состояние. За счет ограниченных спонтанных переходов в
Первым твердотельным стержне может возникнуть вынужденное излучение, распро-
лазером, работающим в види- страняющееся строго вдоль его оси и усиливающееся при многократных
мой области спектра (длина отражениях от торцовых зеркал, которые выполняют роль объемного ре-
волны излучения 0,6943 зонатора. В результате возникает мощное монохроматическое излучение
мкм), был рубиновый лазер, – световой импульс, часть которого выходит через полупрозрачное зерка-
созданный в 1960 г. ло. Длительность такого импульса 10–3 с. Это связано с тем, что все возбу-
(Т.Мейман, США). На рис.16.1 представлена схема рубинового лазера. жденные ионы хрома за это время переходят в невозбужденное со-
В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровне- стояние. Световой луч лазера строго направлен и обладает малой расхо-
вой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. димостью. Объемный резонатор лазера служит для создания положи-
Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А12Оз, в кри- тельной обратной связи и для формирования геометрических параметров
сталлической решетке которого некоторые из атомов А1 замещены выходного луча лазера.
трехвалентными ионами Сгэ+ (0,03 и 0,05% ионов хрома соответствен- Не вся энергия, поглощенная рубиновым стержнем, превращается в
но дня розового и красного рубина). Для оптической накачки исполь- лазерное излучение. Часть ее, довольно значительная (≈50%), тратится на
зуется импульсная газоразрядная лампа (2), спирально закрученная нагревание стержня, поэтому в конструкции лазера предусмотрено охла-
вокруг рубинового стержня (1). При интенсивном облучении рубина ждение 3. При температуре стержня порядка 1000 К рубиновый лазер
светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего разрушается.
уровня на уровни широкой полосы 3 (рис. 16.2). Так как время жизни Существует большое количество лазерных материалов: стекло, в
атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше 10-7 с), то осу- которое введены ионы неодима, флюорит кальция с иона ми самария и
ществляются либо спонтанные переходы 3→1 (они незначительны), др. Они дают световое излучение различных длин волн: рубиновый
либо наиболее вероятные безызлучательные переходы на уровень 2 (он лазер – 0,694 мкм, лазер на стекле с неодимом – 1,06 мкм (инфракрас-
называется метастабильным) с передачей избытка энергии решетке ное излучение). В лазерах в качестве активной среды могут быть ис-
кристалла рубина. Переход 2→1 запрещен правилами отбора, поэто- пользованы газы или смеси газов (Ne, Ar, Ne–Не, СО2 и др.). В газо-
му длительность возбужденного состояния 2 атомов хрома порядка вых лазерах атомы активной среды часто возбуждают высокочастот-
10-3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. ным разрядом. Как правило, излучение газовых лазеров непрерывно.
Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При доста- Созданы полупроводниковые, химические, газодинамические и другие
точной мощности накачки их концентрация на уровне 2 будет гораздо лазеры.
больше, чем на уровне 1, т. е. воз- Лазерное излучение обладает следующими свойствами:
E3 3 никает среда с инверсной населен- 1) временная и пространственная когерентность;
E2 Безызлучательный
2) строгая монохроматичность;
переход 2
ностью уровня 2.
Накачка Рубиновый стержень лазера 3) большая плотность потока энергии;
Спонтанные λ=0,6943 мкм представлял собой цилиндр, торцы 4) очень малое угловое расхождение в пучке.
переходы
которого были тщательно отполи- Необычные свойства лазерного излучения нашли широкое
E1 1 рованы и покрыты слоем серебра применение. Например, в светолучевых станках с помощью лазерного
таким образом, что один торец пол- луча делают отверстия в часовых камнях из рубина, алмаза, в туго-
Δt~10-8c Δt~10-3c t ностью отражал свет, а другой – плавких сплавах и труднообрабатываемых металлах. В микроэлектро-
частично отражал и частично про- нике с помощью лазеров производят сварку различных соединений
Рис.16.2.
пускал свет. При вспышке лампы для микросхем, напыляют полупроводниковые слои и т.д.
