Лазеры
Термину “лазер” нет ещё и десяти лет от роду, а кажется, что существует он давным-давно, - так широко он вошел в обиход. Разумеется, столь огромный интерес вызывает не само слово “лазер”, а названный так квантовый прибор для генерации электромагнитных волн оптического диапазона. Появление лазеров - одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.
Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А.М.Прохоровым и Н.Г.Басовым и американским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.
Басов Николай Геннадиевич (1922 г.р.), российский физик, один из основоположников квантовой электроники. В 1954 г. совместно с А.М.Прохоровым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955 г. предложил трехуровневую схему для создания инверсного состояния в квантовых системах. В 1964 г. удостоен Нобелевской премии по физике за фундаментальную работу в области квантовой электроники.
Прохоров Александр Михайлович (1916 г.р.), российский физик, один из создателей квантовой электроники. В 1954 г. совместно с Н.Г.Басовым создал первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака. В 1955-1960 гг. работал над созданием квантовых парамагнитных усилителей СВЧ-диапазона. В 1958 г. предложил в качестве резонатора квантового генератора использовать открытый резонатор. В 1964 г. за фундаментальные работы в области квантовой электроники удостоен Нобелевской премии по физике
Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т. Майманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “Light amplication by stimulated emission of radiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора – лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот - США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.
Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов. Уникальные свойства лазеров - монохроматичность (строгая одноцветность), высокая когерентность (согласованность колебаний), острая направленность светового излучения.
Существует несколько видов лазеров:
- полупроводниковые
- твердотельные
- газовые
- рубиновый
Газовый лазер.
Первым квантовым генератором света, действующим в непрерывном режиме, стал газовый лазер, который работал на нейтральных атомах смеси гелия и неона.
. Схема газового лазера представлена на рис. Инверсное состояние создается в смеси двух газов: гелия с парциальным давлением 130 Па (1 мм рт. ст.) и неона с парциальным давлением 13 Па (0,1 мм рт. ст.); для этого в трубке со смесью газов возбуждается электрический разряд. При этом атомы гелия, сталкиваясь с электронами, переходят на уровень2s. Схема расположения уровней атомов Не и Nе показана на рис.
Излучательный переход в основное состояние с уровня 2s для атомов гелия запрещен. Атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, которые на уровне возбуждения 2s имеют ту же энергию, что и атомы гелия на уровне 2s, передают им свою энергию. Инверсная населенность достигается между отдельными уровнями 2sи 2р, если время жизни на уровнях 2р достаточно мало.
Газоразрядная трубка с торцов ограничена стеклянной пластинкой, приклеенной под углом Брюстера к оси трубки, что позволяет исключить отражение поляризованного излучения лазера на торцевых стенках трубки. Трубка помещается между зеркалами с диэлектрическими покрытиями, что обеспечивает необходимый коэффициент отражения от этих зеркал на частоте генерации. Газовые гелий-неоновые лазеры генерируют излучение на длине волны 0,63 мкм.В настоящее время существует множество лазеров, излучение которых перекрывает весьма широкий диапазон спектра электромагнитных волн от λ < 1 см. до λ = 0,1 мкм.
Полупроводниковые лазеры.
Полупроводниковые лазеры отличаются от газовых и твердотельных тем, что излучающие переходы происходят в полупроводниковом материале не между дискретными энергетическими состояниями электрона, а между парой широких энергетических зон. Поэтому переход электрона из зоны проводимости в валентную зону с последующей рекомбинацией приводит к излучению, лежащему в относительно широком спектральном интервале и составляющему несколько десятков нанометров, что намного шире полосы излучения газовых или твердотельных лазеров.
Создание инверсной населенности в полупроводниках.
Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса - Люммля энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона – зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона).