ПРИНЦИП РАБОТЫ КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

В зависимости от диапазона длин волн эти приборы имеют специфическое названия: квантовые генераторы СВЧ (как и квантовые усилители этого диапазона) называются мазеры; длинноволнового ИК-излучения – иразеры; ближнего ИК-, видимого и УФ-излучения – лазеры.

Первый лазер сделан в 1960 г. (Т.Мейман, США) на кристалле рубина (корунд Аl₂О₃ с примесью ионов хрома). Основу конструкции любого лазера составляют три компонента:

- активный элемент,

- система возбуждения (накачки),

- система положительной обратной связи (оптический резонатор).

Кроме того, в состав лазера входят блок электропитания и система охлаждения (для мощных лазеров).

Резонатор способствует подавлению спонтанного излучения и обеспечивает формирование в активной среде лазера строго направленного когерентного монохроматического излучения.

Простейший открытый оптический резонатор состоит из двух обращенных друг к другу зеркал (плоскопараллельных или вогнутых) с общей осью. Активный элемент размещают между ними. Для вывода лазерного луча одно из зеркал делают полупрозрачным (рис.3.4).

Фотоны, испущенные под углом к оптической оси резонатора, быстро выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора (“затравочные фотоны”) порождают поток квантов вынужденного излучения, который при многократном отражении от зеркал резонатора будет лавинообразно нарастать. Часть фотонов, проходит сквозь полупрозрачное зеркало наружу, образуя лазерный луч. Другая часть, отразившаяся, используется снова для генерации.

Рис.3.4

Для того, чтобы обратная связь, создаваемая резонатором, была положительной, необходима строгая синфазность электромагнитных колебаний. То есть, волна, возвратившаяся в некоторую точку активной среды после отражения от зеркала, должна иметь в этой точке ту же фазу, что и первичная волна. Вначале в активной среде одновременно и независимо усиливается много волн с различными фазами. В ходе их взаимной конкуренции преимущество получают те из них, для которых выполняются условие

где k – целое число, l- длинна волны излучения ( ),

L – длина резонатора (см. рис. 3.4).

Интенсивность таких волн (их называют модами) быстро нарастает, причем тем сильнее, чем ближе частота волны к частоте спектральной линии вынужденного излучения активной среды.

Для достижения высшей степени когерентности и монохроматичности стремятся к одномодовому режиму генерации. Для этого в резонатор вводят дополнительный селектирующий элемент (оптическую призму, дифракционную решетку и т.п.), подавляющий нежелательные моды.

Прохождение фотонных лавин через активную среду лазера уменьшает степень инвертированности атомов среды за счет вынужденных переходов. Мощность накачки должна обеспечивать компенсацию этого уменьшения, а также внутренние потери энергии за каждый проход.

Активная среда лазера должна обладать двумя главными свойствами:

-содержать атомы, имеющие долгоживущие (метастабильные) возбужденные состояния,

-быть прозрачной для генерируемого излучения.

Способы достижения и поддержания инверсии в активной среде лазера зависят от ее структуры. В твердых телах и жидкостях используется главным образом оптическая накачка – освещение активного элемента сфокусированным излучением (специальных ламп или другого лазера). Часто используется трехуровневая среда (см.п.3.4): в рубиновом, в гелий-неоновом лазерах.

Более экономичными являются активные среды, работающие по четырех уровневой схеме(рис.3.5).

Рис. 3.5.

В спектрах атомов таких сред между метастабильным W₃ и основным W₁ уровнями имеется промежуточный рабочий уровень W₂. Он расположен существенно выше основного, поэтому в условиях равновесия его заселенность незначительна (N₂ << N₁). Это облегчает создание инверсии населенностей между возбужденными уровнями W₂ и W₃, что существенно снижает требования к источнику накачки. Лазерная генерация осуществляется при переходе W₃ ® W_2. По такой схеме работают большинство лазеров на твердых активных средах, мощные газовые лазеры и некоторые лазеры других типов.