ГЛАВА 9 КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

9.1. Физические основы

Квантовая мектроника является областью электроники, кото­рая исследуется явления генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения, явления нелинейного взаимодействия мощного излучения с веществом, а также возможность создания квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов (мазеров), квантовых гене­раторов (лазеров), усилителей и устройств нелинейного преобразо­вания частот лазерного излучения.

В квантовой электронике используются физические явления, в которых основное участие принимают связанные электроны. Эти электроны входят в состав систем из атомов, молекул, отдельных кристаллов, континуальных сред всех агрегатных состояний веще­ства. В соответствии с законами квантовой механики энергия элек­трона, связанного в атоме, имеет ряд дискретных значений /Го.

Е2, £₃, .... Е„,... Эти дискретные значения называют уровнями энер­гии. Весь набор разрешенных квантовой механикой уровней обра­зует энергетический спектр атома. Основным уровнем £« назовем наименьший уровень. Все остальные уровни называют возбужден­ными.

Переход связанных электронов с одного уровня на другой со­пряжен с излучением или поглощением электромагнитной энер­гии. частота которой определяется соотношением: )т\^ = {Е, — £}), где к — постоянная Планка; —частота излучения (поглощения) при квантовом переходе с уровня Е, на уровень Е_г Излучение и по­глощение происходит отдельными порциями, квантами света, или фотонами. При поглощении фотона энергия атома увеличивается.

23^

при испускании фотона — уменьшается, при поглощении энергии электрон переходит вверх, на более высокий уровень, при испуска­нии фотона электрон совершает обратный переход вниз с умень- шеньем энергии атома. Такие скачкообразные переходы называют квантовыми переходами.

Различаются спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы. При спонтанном квантовом переходе испускание фотона происходит вне зависимости от воздействия внешних факторов на квантовую систему. При этом направление излучения и поляриза­ция фотонов может быть любой. Вынужденный квантовый переход происходит под воздействием внешнего излучения частоты V, удов­летворяющего соотношению М/,у = (Д — Д). При этом в процессе вынужденного излучения фотон имеет направление излучения и поляризацию, соответствующую этим же параметрам фотона сти­мулирующего излучения. Частота испущенного фотона в точности совпадает с частотой вынужденного излучения (рис. 9.1).

Атом находится в возбужденном состоянии некоторое время х и скачкообразно переходит в невозбужденное состояние. Если пред­положить, что время жизни на возбужденном уровне составляет т„ то при большом числе возбужденных частиц Л} это время убывает по закону N1 = ТУо ехр(—//^о), где Л'о — общее число частиц; / — текущее время; т, — время, за которое ТУ,- убывает в е (2,7) раз. Частицы, по­терявшие энергию и испустив фотон, могут вновь возбуждаться и переходить на уровень Д. Чем меньше т„ тем чаще будут испускать­ся фотоны. Вероятность спонтанного испускания с уровня Е\ А = 1/т,- определяет среднее число фотонов, испускаемых одной частицей в 1 с.

При спонтанном переходе с уровня Е\ на уровень Е₂, Л₂₁ называют вероятностью перехода. Полная вероятность Д спонтанного испуска­ния с уровня Ei на любой другой уровень равна сумме вероятностей отдельных спонтанных переходов: А= ЪА,_кь где А_1к — коэффициент Эйнштейна для спонтанного испускания. Типичное время жизни воз­бужденных атомов составляет примерно 1 • 10~⁸ с.

Вынужденные квантовые переходы генерируют фотоны, кото­рые являются копией фотонов, стимулирующих усиление электро­магнитного излучения. Число вынужденных квантовых переходов

E-Ej

пропорционально плотности излучения p_v на частоте v=---------------------------------------------- .

h

Число фотонов Л/у,/, поглощенных 1 см³ за 1с, пропорционально населенности п_к нижнего уровня и плотности излучения p_v: N_kl ~ B_kin_kp_v, где B_ki — коэффициент Эйнштейна для поглощения в квантовой системе. Этот коэффициент характеризует вероятность поглощения и равен числу фотонов, поглощаемых одной частицей за 1 с при приведенной плотности излучения p_v. Вынужденное из­лучение характеризуется числом фотонов N_ik, испущенных 1 см³ за

1 с: N_ik=B_ikn_kx_h где B_ik — коэффициент Эйнштейна для вынужден­ного испускания, который характеризует вероятность вынужденно­го испускания. Этот коэффициент определяется числом фотонов, испускаемых в среднем одной частицей под действием излучения плотности p_v = 1 за 1 с.

Эйнштейн рассмотрел равновесную систему, в которой число фотонов, испускаемых в переходе Е;■-> Е_к с частотой v = {Е-,— E_k)/h, равно числу фотонов той же частоты v, поглощаемых при обратном квантовом переходе Е_к -» Е\. И тогда

N_ik + N_ik = N_u; A_ikn, + B_lkn,p_v = В_к,пф„

Коэффициенты Эйнштейна связаны следующими соотноше­ниями:

S к ^ki Si & ¡к i

_Л _ Snhv³ gк , п d

^Aik — 3 » ki ~~ 3 ik»

cⁱ gi С

где gi и g_k— степени вырождения уровней is, и Е_к соответственно;

, , 8rtv³

с — скорость света, коэффициент —г— характеризует плотность

с

энергии равновесного излучения.

Вероятность излучаемых переходов зависит от свойств уровней и между которыми осуществляются квантовые переходы. В квантовой системе имеет место резонансное поглощение фото­нов. Суть этого явления заключается в том, что если атом находит­ся на нижнем уровне £, и электромагнитное излучение содержит п фотонов частоты Е_1к, то возможен переход атома на возбужденный уровень Е_к. При этом поглощается фотон и число фотонов уменьша­ется и становится равным п— 1, т.е. вынужденные переходы вверх приводят к поглощению электромагнитной энергии вещества.

Различают также диполъные, магнитные, квадруполъные и безыз- лучательные переходы. Они сопровождаются изменением диполь- ного момента Р_1к, магнитного момента М_1к, квадрупольного момен­та которые связаны с коэффициентами Эйнштейна. Среди квантовых переходов различают также разрешенные и запрещенные переходы. Если в какой-либо момент вероятность перехода отлич­на от нуля, то квантовый переход возможен. Если же в момент пе­рехода его вероятность равна нулю, то квантовый переход невозмо­жен и такой переход называют запрещенным.

В случае, когда квантовый переход с некоторого возбужденного уровня, называемого метастабильным, на более низкие уровни за­прещен правилами отбора, то такой уровень может существовать довольно длительное время (примерно 1 • 10^-3 с). Под правилами отбора понимают установленные в квантовой механике разрешен­ные квантовые переходы между уровнями энергии квантовой сис­темы при наложении на нее внешних возмущений. Если состояние системы характеризуют с помощью квантовых чисел, то правила отбора представляют возможные их изменения при квантовых пе­реходах.

9.2. Спектральные линии

В идеальном случае возбужденные атомы из бесконечно тон­ких уровней энергии должны излучать строго монохроматическую волну. Однако практически излучение образует спектральную ли­нию определенной ширины и формы. Даже для изолированных от внешних воздействий атомов линии излучения уширяются в соот­ветствии с фундаментальным законом квантовой механики. Со­гласно принципу неопределенности, если & время жизни атома в возбужденном состоянии, то значение энергии его состояния &Е связано соотношением неопределенностей Гейзенберга AEAt * Ь. Не­определенность, или «размытие» уровня, обратно пропорциональна

времени жизни частицы т₀ в начальном состоянии. Вследствие того, что время жизни свободной частицы на энергетическом уров­не всегда конечно, то существует определенная естественная ши­рина спектральной линии. Спектральное распределение квантов спонтанного излучения определяет ширину уровня АЕ = Й/т₀. Кон­тур линии спонтанного излучения имеет лоренцеву форму с шири­ной линии Ду_л = Л Е/Н — 1/2ято. Шириной линии называют интервал частот между точками, для которых интенсивность излучения (или поглощения) падает в 2 раза.

Лоренцева форма линии имеет вид резонансной кривой с макси­мумом на частоте Уо и описывается форм-фактором #(у) = = \/2пА\_л/[(у - у₀)² + АУл/4] (рис. 9.2).

В реальных условиях спектральные линии несколько размыты и представляют собой полосы излучения и поглощения. Причиной этому служат различные физические явления. Уширение линии происходит в том числе из-за Доплер-эффекта, вызывающего сме­щение частоты движущихся частиц. Доплеровски уширенная ли­ния описывается функцией Гаусса и симметрична относительно частоты у₀ (см. рис. 9.2). Форм-фактор доплеровски уширенной линии имеет вид #(у) = 1/л/яУгехр[—(V — Уо)/ут)²], где \_Т — ч$щ/с — доплеровский сдвиг частоты при средней тепловой скорости движе­ния излучающей частицы; с — скорость света. С увеличением часто­ты роль доплеровского уширения линии возрастает.

В твердых телах уширение спектральной линии может привести к их расщеплению вследствие влияния электрических и магнитных полей (эффекты Штарка и Зеемана).

В естественных условиях при равновесии между средой и веще­ством нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем

радиоэлектронике входит в режим генерации, если в системе соз­дается положительная обратная связь.

В тот момент, когда впервые догадались поместить возбужден­ную квантовую систему с инверсной населенностью уровней в ре­зонатор Фабри — Перо, создающий положительную обратную связь в системе, родился лазер. Сначала это был мазер, затем лазер.

Первый лазер был создан в 1960 г. В качестве активного веще­ства использовали кристалл рубина. В основе работы лазеров лежит явление вынужденного излучения под действием внешнего элек­тромагнитного поля, усиление и формирование потока излучения. Процесс возбуждения квантовой системы осуществляется путем накачки, т.е. импульсного или постоянного воздействия на актив­ную среду электромагнитным излучением определенной частоты.

Возбуждение активной среды можно осуществлять по трех- или четырехуровневой схеме (рис. 9.3).

Примером трехуровневой схемы является кристалл рубина — А1₂Оз + Сг⁺⁺⁺. Содержание атомов хрома составляет около 0,05 %. Красный цвет кристалла рубина обусловлен расположением энер­гетических уровней атомов хрома в рубине. Возбуждение атомов хрома в рубине происходит за счет оптической накачки. Возбуж­денные атомы хрома переходят в полосу поглощения Ез, их время жизни там составляет примерно 1 • 10^_3с. В атомных масштабах со­отношение 1 • 10^-8 с и 1 • 10^_3 с является вечностью и поэтому на метастабильном уровне накапливается большое число (больше по­ловины всех) возбужденных атомов. Метастабильный уровень ста­новится населенным и в квантовой системе возникает инверсия населенностей уровней по отношению к основному уровню Е\. На практике накачка рубина осуществляется лампой-вспышкой белого

лазеров на газовых средах.

Положительная обратная связь осуществляется с помощью двух зеркал, образующих интерферометр Фабри — Перо, который и яв­ляется оптическим открытым резонатором.

В резонаторе могут возбуждаться колебания только определен­ной длины волны и структуры. Частоты этих колебаний называют резонансными, они соответствуют собственным частотам резонато­ра. Возникающие колебания имеют определенную структуру (моду), которая соответствует собственному типу колебаний резо­натора (от лат. modus — мера, способ). Мода может быть интерпре­тирована как стационарная конфигурация электромагнитного поля, электрическая составляющая которой может быть записана в виде Е(г, 0 - Е₀С/(г)ехр(/со/), где со — собственная частота резонатора.

Резонатор характеризуется добротностью Q, которая представ­ляет собой отношение запасенной в резонаторе энергии к средней энергии за 0,5я периода колебаний. Добротность можно выразить через эффективное время жизни фотона т_эф в моде Q = а>т_эф. Элек­тромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, отражаются и интерферируют между собой. Коэффи­циент отражения зеркал достаточно высок, так что в пространстве резонатора могут существовать электромагнитные колебания стро­го определенной длины волны. На поверхности идеально отражаю­щих зеркал (примерно 100 %) амплитуда световых колебаний долж­на быть равна нулю. При этом фаза отраженной волны совпадает с

фазой, падающей только в том случае, когда длина резонатора X

Ь = п — где п — целое число (рис. 9.4).

Такую систему зеркал называют открытым резонатором, кото-

с

рый резонирует на собственных частотах у=—. В действительно-

2Х

сти существуют не резонансные линии, а резонансные полосы ши- £

риной Ду_р = — =1,5 • 10^ю Гц для резонатора длиной в 1 м. В пре- 2

делах спектральной линии активной лазерной среды укладывается от десятка до тысяч собственных колебаний резонатора (рис. 9.5, а). Такой резонатор называют многочастотным.

Спектр собственных частот лазера определяется собственными частотами резонатора, лежащими вблизи максимума спектраль­ной линии. Одновременно излучение лазера характеризуется по­перечным распределением электромагнитного поля — поперечны­ми модами. Эти колебания называют трансверсалъными электро­магнитными колебаниями и обозначают ТЕМ_тпд, где д — указывает число полуволн на длине резонатора, индексы тип характеризу­ют число изменений направления поля вдоль осей х и у соответст­венно. На рис. 9.5, б приведены фотографии трансверсальных мод на зеркалах лазера. Так как индекс ц значительно больше индек­сов т и п, то индекс q обычно опускают. Мода ТЕМоо является ак­сиальной. Остальные колебания представляют собой неаксиальные

МОЛЫ

Для получения сверхкоротких лазерных импульсов используют метод синхронизации мод. В импульсных лазерах синхронизацию мод осуществляют с помощью помещаемого в резонатор нелиней­ного фильтра, который просветляется под воздействием излучения. В лазерах непрерывного действия синхронизацию мод выполняют путем модуляции энергетических потерь или фазы поля излучения на частоте, близкой к частоте межмодовых биений. В режиме син­хронизации мод лазер излучает периодическую последовательность сверхкоротких импульсов с частотой, близкой к межмодовой час­тоте (100...500 мГц). Длительность импульсов излучения в этом ре­жиме равна обратной ширине спектра генерируемых мод. Длитель­ность импульсов в режиме синхронизации мод может достигать значений 1 • 10^_13...1 • Ю~¹² с, что позволяет резко повысить пико­вую мощность излучения.

В последние годы резко вырос интерес к фемтосекундным лазе­рам. Одним из путей получения фемтосекундных импульсов явля­ется использование эффекта самомодуляции фазы. Из радиотехники известно, что изменение фазы волны во времени приводит к изме­нению ее частоты.

Уширение спектра позволяет сократить длительность импульса. Если энергия одиночного импульса в непрерывном цуге составляет 1 • Ю^-8 Дж, то при длительности импульса 10 фемтосекунд (фс) пи­ковая мощность составляет 1 МВт.

Лазерные зерк&па обеспечивают возможность многократного прохода плоской волны, если волновой вектор направлен по оси интерферометра. Многократное прохождение в резонаторе свето­вой волны обеспечивает ее усиление за счет многократного «опус-

101 пспии» метастабильного уровня и генерации фотонов строго по оси резонатора. Инвертированная активная среда при каждом про­ходе будет усиливать волну и повышать плотность фотонов.

Обычно одно зеркало делают глухим /?2 * 100 %, а второе— с К₂~ 95 %. Накопленная в резонаторе энергия, преодолев опреде­ленный порог интенсивности излучения, выходит из зеркала с ко­эффициентом отражения /?2- Сформированный таким образом пу­чок лазерного излучения является когерентным излучением с вы­сокой спектральной плотностью излучения.

Гармоническое колебание называют монохроматическим, если оно может быть описано выражением Л(/) = Ло зт(2ялу + сро), где АЦ) — текущее значение амплитуды; А₀ — максимальное значение амплитуды; 2луо — круговая частота; ф₀ — начальная фаза колеба­ний. Ширина спектра Av излучения определяется степенью моно­хроматичности излучения ц = Ду/уо , где vo — центральная частота. При ц << 1 излучение называют квазимонохроматическим. Лазеры позволяют получить излучение со значением ц « 1 • Ю^-10 при дос­таточно большой мощности.

Понятие монохроматичности тесно связано с понятием коге­рентности. Когерентность света представляет собой взаимную со­гласованность протекания во времени световых колебаний в раз­ных точках пространства и (или) времени, характеризующая их способность к интерференции.

Различают пространственную и временную когерентность. Про­странственная когерентность связывается с корреляцией фазы ко­лебаний в разных точках пространства в один и тот же момент вре­мени. При сложении когерентных колебаний возникает устойчивая интерференционная картина.

Корреляцию колебаний в определенной точке пространства можно наблюдать только в определенном интервале времени. Этот интервал времени принято называть временем когерентности, кото­рое обычно принимают за время жизни излученного колебания т. Расстояние, проходимое светом за время когерентности, называют

о

длиной когерентности I. При т » 1 • 10 с длина когерентности / =

= ст = 300 см. Если учитывать, что ширина спектральной линии связана со временем жизни, то Ду * 1/т. А длина когерентности связана с шириной спектральной линии формулой /« с/Ду. Таким образом, чем ^же частотный спектр излучения, тем больше время когерентности, выше степень временнбй когерентности и выше монохроматичность излучения.

Лазер представляет собой уникальный источник оптического излучения и уместно отметить особенности лазерного излучения.

Пространственная когерентность характеризует форму волново­го фронта излучения. Лазерное излучение имеет высокую направ­ленность, обусловленную свойствами оптического резонатора, и высокую спектральную мощность излучения. Описание законов распространения лазерного излучения в свободном пространстве и оптических системах производят с помощью пространственных па­раметров. К ним относятся диаметр пучка и его расходимость, диа­грамма направленности, распределение плотности мощности (энергии) в поперечном сечении пучка, ось диаграммы направлен­ности, ближняя и дальняя зоны лазерного излучения. Диаметр пуч­ка лазерного излучения — диаметр поперечного сечения канала, внутри которого распространяется мощность лазерного излучения. Диаметр пучка на выходном зеркале плоского резонатора, как пра­вило, определяется диаметром активного элемента. Если активный элемент имеет прямоугольное сечение, то размеры пучка определя­ются размерами сечения активного элемента. Размер поперечного сечении пучка, естественно, несколько меньше соответствующих размеров активного элемента, так как электромагнитное поле спа­дает к его краям. Конкретное значение размера поперечного сече­ния пучка зависит от размеров активного элемента, модового со­става излучения и выбранного уровня энергии в пучке.

Расходимость лазерного излучения — это плоский или телесный Угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазер­ного излучения. Эту расходимость называют угловой. Существует также понятие энергетической расходимости, которое представляет собой телесный угол, внутри которого распространяется заданная Доля энергии.

Диаграмма направленности лазерного излучения — это угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. Ось диаграммы направленности лазерного излучения представляет со­бой прямую, проходящую через максимум углового распределения энергии или мощности лазерного излучения. При симметричном распределении поля ось диаграммы направленности совпадает с энергетической осью пучка.

Дальняя зона лазерного излучения — область пространства вдоль оси лазерного пучка, расположенная на таком расстоянии от излу­чателя лазера, начиная с которого диаграмма направленности оста­ется постоянной. Диаграмма направленности носит дифракцион­ный характер независимо от того, ограничен лазерный пучок ре­альной диафрагмой или нет. Известно, что при описании дифрак-

:л'А г. о.: ьз у юте я понятиями зон Френеля и Фраунгофера. Дальняя зона. лазерного излучения соответствует зоне Фраунгофера.

Рсспреоелеьие мощности мощности ипучения можно получить из измерений либо рассчитать по известным параметрам резонато­ра. Связь параметров пучка с параметрами резонатора определяется типом ре зон агора-

9.4. Типы лазеров

Твердотельные лазеры. Конденсированные среды — это твердые тела и шикосги. атомные частицы, которые связаны между собой. В таких телах не происходит самопроизвольный разрыв связей и конденсированные тела сохраняют свой объем.

3 твердотельном лазере активной средой служат диэлектриче­ские кристаллы или стекла, активированные ионами редкоземель­ных элементов или ионами группы железа. В нем использовались оптическая какачка и открытый резонатор. Инверсия населенно­сти »-ровней создается путем импульсного облучения мошной ксе- ноновой лампой. Ионы хрома Сг~~* поглощают излучение и пере­ходят из основного уровня Е\ в полосу накачки £₃. В результате безизлучательного перехода £3 -> £₂ заселяется метастабильный уровень Ег, так что число возбужденных на нем атомов превышает число атомов на уровне Е\ (см. рис. 9.3, а). При стимуляции возни­кает излучение в красной части спектра путем перехода возбужден­ных ионов хрома уровня £2 на уровень Е_х. Наиболее благоприят­ные условия возникают хтя генерации излучения с длинной волны к = 0_Т6943 мкм.

На рис. 9.6 приведена типичная функциональная схема лазеров. Активный элемент, помешенный в оптический резонатор из двух зеркал, освещается осветителем, который питается от блока кон­денсаторной батареи и охлаждается с помощью охлаждающей сис­темы. Зачастую в резонатор встраивается устройство управления, позволяющее формировать лазерное излучение с заданными про­странственно временными характеристиками. Блок охлаждения от­водит от активного элемента и осветителя тепловую энергию, вы­деляемую при излучении и поглощения света накачки. КПД твер­дотельных лазеров составляет несколько процентов и поэтому от­вод тепла крайне необходим. Выходная мощность лазера характе­ризуется энергией накачки, пороговой энергией и длительностью импульса. Выходная мощность может достигать нескольких десятков джоулей в импульсном и около 100 мВт в непрерывном режимах.

Обратную связь в оптическом резонаторе можно включать и выключать с помощью устройства управления. Обычно используют электрооптический затвор, например, в виде ячейки Керра, Пок- кельса или Фарадея. Обратная связь включается на промежуток времени 1 • 1(Г⁸...1 • 1СГ⁹ с. Это время и определяет длительность импульса, т.е. накопленная на метастабильном уровне энергия воз­бужденных ионов хрома излучается в очень короткий промежуток времени (1 • 10~⁸ с), что позволяет развивать гигантскую мощность. Для фемтосекундных импульсов мощность увеличивается еще на четыре порядка. Сфокусированный поток такого излучения обла­дает гигантской плотностью мощности, способной разрушить лю­бые материалы.

Такие конструкции называют лазерами с модулированной доб­ротностью, а лазерные импульсы — гигантскими (примерно 10 Вт и более). Гигантские импульсы можно увеличивать по мощности, используя каскад лазерных усилителей. Эта мощность превосходит мощность самых больших электростанций мира.

Другой тип твердотельных квантовых генераторов — это лазер на стекле, активированном ионами неодима Ш⁺⁺⁺. В настоящее время это один из наиболее распространенных типов лазеров бла­годаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных активных лазерных элементов. Это позволяет изготавливать актив­ные элементы очень больших (10² см) размеров и снимать значи­тельную энергию (10⁴ Дж). Однако стекла имеют плохую теплопро­водность и требуют применения эффективных систем охлаждения. Лазеры на неодимовых стеклах работают по четырехуровневой схе­ме (см. рис. 9.3, 6) и излучают на основной длине волны 1,06 мкм, а также могут излучать на длине волны 1,32 мкм. Это ближний ин­фракрасный диапазон. В режиме свободной генерации длитель-

ность импульсов излучения составляет 0,1... 10,0 мс. Мощность дос­тигает значений 10¹³ Вт в режиме модулированной добротности и согласования мод.

Помимо неодима получили распространение лазеры, активный элемент которых активирован ионами Ег³⁺, Ти³⁺, Но³⁺ (европий, тулий, гольмий). Среди лазерных кристаллов, легированных неоди­мом, наибольшее распространение получил кристалл алюмоит- триевого граната УзАЬО^ с атомарной концентрацией Ш⁺⁺⁺ до 1 % по отношению к иттрию. Другим распространенным активным элементом твердотельных лазеров является ортоалюминат иттрия УАЮз. Он также легируется ионами неодима.

Определенный интерес для создания миниатюрных твердотель­ных лазеров представляют монокристаллы двойного галий-гадоли- ниевого вольфрама (КГБ), легированные неодимом, а также гел- лий-скандий-гадолиний гранат (ГСГГ), легированный хромом либо неодимом. К настоящему времени эффект стимулированного излучения обнаружен более чем у 250 кристаллов с примесью ионов переходных групп (N<1, Ей, Но, Ег, Ти, УЬ).

Полупроводниковые лазеры — это лазеры на основе полупровод­никовой активной среды, в которой используют квантовые перехо­ды между разрешенными энергетическими зонами. Это отличает полупроводниковые лазеры от других типов, в которых используют квантовые переходы между дискретными уровнями энергии. В со­ответствии с зонной теорий полупроводников при поглощении фо­тона, энергия которого больше ширины запрещенной зоны 2^, произойдет переброс электрона из валентной зоны Е_у в зону прово­димости Е_с (рис. 9.7, а). При этом в валентной зоне возникает дырка. Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупровод­нике происходит процесс спонтанного излучения (рис. 9.7, б).

В полупроводнике имеет место вынужденная рекомбинация под действием света (рис. 9.7, в). Для создания условий усиления света

необходимо создать вырожденный полупроводник, в котором нару­шено тепловое равновесие путем создания области электронов у дна зоны проводимости и области дырок у потолка валентной зоны.

Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход диода, получил название ин- жекционного лазера, или лазерного диода с /?-я-гомоструктурой. Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запре­щенной зоны между энергетическими уровнями.

Наиболее распространенными являются лазеры с двойной гете­роструктурой. В этих устройствах слой материала с более узкой за­прещенной зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. Чаще всего для реализации ла­зера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид гал­лия (ваАБ) и арсенид алюминия-галлия (АЮаАв). Каждое соедине­ние двух таких различных полупроводников называют гетерост­руктурой, а устройство — диод с двойной гетероструктурой (ДГС). Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой в том, что об­ласть сосуществования электронов и дырок (активная область) за­ключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии, в области с низким усилением. Дополнительно волна будет отражаться от самих гетеропереходов, т.е. излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Сравнительно малые размеры резонатора не позволяют полу­чить высокую направленность излучения. Состояние инверсии на­селенности уровней может достигаться электронной и оптической накачкой, электрическим пробоем в сильном поле.

Наилучший эффект генерации получен на прямозонных полу­проводниках, среди которых ряды изоморфных твердых растворов А В⁵ , А²В⁶, А³В⁶, А⁴В⁶ и т.п.

Особый интерес вызывают материалы, составляющие изоперио- дические пары. Это кристаллы, различающиеся по количественному составу, ширине запрещенной зоны, но имеющие одинаковый пе­риод кристаллической решетки. С их помощью методами элек­тронно-лучевой эпитаксии выращивают бездефектные гетеропере­ходы. Широкое распространение получили гетеролазеры, сформи­рованные на основе гетероструктур. Полупроводниковый лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате излучательной рекомбинации в гетероструктуре, называ-

¹ ют гетеролазером.

Наиболее эффективными оказались полупроводники типа А³В⁵ с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Наи­лучшими параметрами обладает гетеролазер на основе трехслойной (двойной) гетеростуктуры с активным слоем из узкозонного полу­проводника, заключенного между слоями более широкозонного полупроводника. Двустороннее оптическое и электронное ограни­чение приводит к совпадению областей инверсной заселенности и светового поля. В таких лазерах уже при малом токе накачки мож­но получить устойчивую генерацию. Резонатором таких лазеров служат грани кристалла, но можно использовать и внешние опти­ческие резонаторы. На рис. 9.8 приведена структура гетеролазера с резонатором в виде сколотых граней [110] кристалла, служащих зеркалами резонатора. Твердые лазерные растворы Са_х8п1._хА5_уР1__у позволяют получать коротковолновое излучение, растворы типа БпР — низкопороговые инжекционные лазеры инфракрасного диа­пазона. Дальняя ИК-область (X > 5 мкм) осваивается с помощью твердых растворов РЬ8_х8е1__х, РЬ_х81-_хТе.

Полупроводниковые лазеры могут быть объединены в много­элементные излучатели — фазированные лазерные монолитные ли­нейки. Мощность излучения в импульсном режиме может достигать значения 10³ Вт. Изменяя интенсивность накачки, можно получить модулированное по амплитуде лазерное излучение.

Разработаны гетеролазеры с распределенной обратной связью. В таких лазерах одно из зеркал резонатора заменено дифракцион­ной решеткой. С ее помощью можно получить излучение строго на определенных частотах.

С развитием технологии микроэлектроники, переходом на суб- микронный диапазон значительный интерес проявился к лазерам

на структурах с пониженной размерностью. К таким структурам от­носят прежде всего гетероструктуры с ограничением по одной из координат. В этом случае образуется область с двумерным элек­тронным газам. Такие структуры называют квантовыми ямами. Структуры с ограничением по двум координатам получили назва­ние квантовые нити. Для структур с трехмерным ограничением принят термин квантовые точки.

Возможность управлять плотностью состояний обеспечивает существенный ресурс дальнейшего улучшения лазерных характери­стик. Дискретизация спектра сводится к модификации распределе­ния плотности состояний по энергии. Для работы лазера необходи­мо и достаточно, чтобы были инвертированы рабочие уровни — рабочие уровни в зонах, которые фактически обеспечивают поро­говое усиление и необходимую скорость вынужденных переходов при сверхпороговой накачке. В полупроводниковых гомострукту­рах необходимо также заполнять некоторое число уровней в зонах, которые прямо не участвуют в генерации. Обычная или невынуж­денная рекомбинация с участием этих уровней входит в выражение для пороговых потерь. Энергия этих уровней может быть меньше или больше энергии рабочих уровней. Более низкие уровни прихо­дится заполнять, поскольку сами они не обеспечивают достаточно­го усиления — требуется мощная накачка. В объемном полупро­воднике плотность состояний растет примерно как корень квадрат­ный из кинетической энергии.

Совсем иная картина в низкоразмерных структурах. В кванто­вой яме плотность состояний возрастает скачком, и если она дос­таточна для получения эффекта генерации, то нет «неработающих» уровней.

Населенность уровней энергии, находящихся выше рабочих уровней, связана с температурным размытием квазиравновесной функции заполнения. Число носителей на этих уровнях соответст­вует интегралу от произведения плотности состояния на функцию заполнения по указанному интервалу энергии. Функция заполне­ния определяется положением уровня Ферми. Плотность состоя­ний квантовых нитей и точек убывает с энергией, превышающей квантовый уровень. Благодаря этому можно оптимизировать энер­гетический спектр и уменьшить вклад нерабочих состояний, лежа­щих выше рабочего уровня. В таких лазерных средах можно суще­ственно ослабить температурную зависимость усиления и порога генерации.

Использование квантовых эффектов в наноструктурах (1... 100 нм) для снижения пороговой плотности тока полупроводникового ла­зера позволяет оптимизировать профиль плотности состояний, т.е. речь идет о зонной инженерии или о создании структуры с заданной зонной структурой.

В лазерных наноструктурах в качестве активной среды обычно используют квантовые точки или квантовые штрихи. Небольшие квантовые нити называют квантовыми штрихами. Квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр. При дискретном спектре не возникает тепловое уширение полосы излучения, а коэффициент усиления имеет тенденцию к стабилизации. Излучательное время жизни возбужденного нуль-мерного состояния не зависит от темпе­ратуры среды, что позволяет улучшить температурную стабильность такого типа лазеров. Заметим, что для лазеров на квантовых структу­рах имеет место низковольтная электрическая накачка.

Рассмотрим некоторые типовые конструкции лазеров на струк­турах с пониженной размерностью. На рис. 9.9 представлена диод­ная конструкция лазера на квантовых точках. На подложке «-типа

ваМ выращивают гетероструктуру, между слоями AIo.85Gao.15As ко­торой содержится 12 монослоев Ino.5Gao.5As квантовых точек. Верх­ний металлический слой контактирует с арсенидом галлия. Волно­вой канал Al0.05Ga0.95As имеет толщину 190 нм и служит проводни­ком излучения к выходным окнам на границах структуры. Длина Ь и ширина канала \¥могут меняться 1...5 мм и 5...60 мкм соответст­венно. Торцы лазера покрыты высокоотражающим слоями

2п8е/1У^р2, формирующими своеобразный резонатор Фаб­ри — Перо. Лазер работает в ИК-области спектра на длине волны 1,32 мкм.

Другой тип перспективной конструкции — лазер с верти­кальным резонатором — представлен на рис. 9.10. Квантовое усиле­ние в активной области достигается за счет процессов инжекции и рекомбинации электронов и дырок. Активная область состоит из нескольких квантовых ям или нескольких слоев квантовых точек. Лазерный резонатор типа Фабри — Перо образуется двумя брэггов­скими зеркалами, которые формируют в едином технологическом процессе роста эпитаксиальной структуры.

Слои брэгговских зеркал располагаются параллельно подложке, а ось резонатора и направление излучения перпендикулярны плос­кости пластины. Длина резонатора определяется как расстояние между зеркалами и составляет несколько Х/2, где X — длина волны излучения. Нижнее выходное зеркало образовано 25 периодами Х/4 слоев ваАБ и АЬАб, легированных до уровня 2 • 10¹⁸ см“³. Верх­нее зеркало образовано из 5—20 периодами Х/А слоев. Возможно и

наоборот. Все определяется конструкцией, в которую встраивается лазер. Различают лазеры с излучением вверх (Top Emitter), вниз и через подложку (Bottom Emitter).

Генерация при комнатной температуре происходит в инфра­красном диапазоне на длине волны порядка 930 нм. Расчетное зна­чение добротности составляет Q - 2,4 • 10⁴.

Лазеры с вертикальным резонатором являются наиболее миниа­тюрными и перспективными источниками излучения.

Полупроводниковые лазеры находят широкое применение в устройствах обработки информации.

Жидкостной лазер — это квантовый генератор, рабочим вещест­вом которого является жидкость. Такие лазеры делят на следующие типы: на красителях, органических и неорганических жидкостях. Жидкостные лазеры были получены на металлоорганических жид­костях, а именно на хелатах европия. Однако малая фотохимиче­ская стойкость, большой коэффициент поглощения света не позво­лили их применять в промышленных конструкциях. Жидкостные лазеры на неорганических жидкостях по своим параметрам превос­ходят твердотельные лазеры по мощности генерации.

Неорганические жидкостные лазеры представляют собой раствор соединений типа TR⁺⁺⁺ в неорганических растворителях сложного состава. Активными ионами в них служат, например Nd⁺⁺⁺. Гене­рация происходит по четырехуровневой схеме с поглощением излу­чения накачки собственными полосами поглощения Nd⁺⁺⁺. Рабо­чее вещество, например, смесь хлороксида (РОС1₃) с кислотой SnCl₄ и ионами Nd⁺⁺⁺ находится в режиме циркуляции и позволяет получить узкий спектр генерации.

В лазерах на красителях в качестве рабочего вещества использу­ют сложные органические соединения. Растворы представляют со­бой красители в воде, спирте, бензоле или активированные краси­телями полимерные материалы типа полиметилметакрилат, поли­уретан. Схема лазера на красителях представлена на рис. 9.11. Эти соединения обладают системой сопряженных связей и интенсив­ными полосами поглощения во всех областях спектра.

Главная особенность лазеров на красителях — это возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в диапазоне от ультрафиолетового (примерно 330 нм) до ИК-диапазона (примерно

1,8 мкм). Грубую перестройку производят, меняя кюветы с краси­телем. Для этого нужно примерно 30 кювет с различными соедине­ниями, которых насчитывается порядка тысячи. Тонкую настройку на заданную длину волны осуществляют с помощью спектраль­но-селективных элементов, вводимых в резонатор. Такими элемен- V. 260 '

ш

тами могут служить дисперсионные призмы, интерференцион­но-поляризационные фильтры и т.п. Накачку таких лазеров произ­водят с помощью излучения импульсных ламп, лазеров других ти­пов. В зависимости от типа накачки различают лазеры импульсно­го или непрерывного режимов работы.

Особый класс составляют лазеры с распределенной обратной свя­зью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора выполняет структура с периодическим изменением показателя преломления или усилите­ля. Это можно осуществить, например, воздействуя на активную среду интерферирующими пучками накачки. РОС-лазеры способ-

л _ 1

ны генерировать на узкой линии (примерно 1 * 10 см ), которая легко перестраивается в пределах полосы усиления.

Лазеры на красителях с пассивной синхронизацией мод позволяют генерировать ультракороткие импульсы излучения (1 • 10"¹⁴ с).

Основная область применения жидкостных лазеров — спектро­скопические исследования. Особенностью жидкостных лазеров яв­ляется высокое значение ширины линии усиления активного пере­хода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры в УФ-диапазоне длин волн. Одновременно можно производить плав­ную перестройку длины волны в достаточно широком диапазоне.

9.5. Газовые лазеры

Газовый лазер — это лазер, в котором активной средой являются газы, пары или смеси газов или паров. Как и все типы лазеров газо­вый лазер состоит из следующих основных элементов (рис. 9.12): ак­тивная среда с усилением на одной или нескольких линиях; оптиче­ский резонатор для создания положительной обратной связи; уст­ройство накачки для создания инверсной населенности уровней.

Рис. 9.12. Схема гелий-неонового лазера:

/ — разрядная трубка; 2 — катод; 3 — капилляр со смесью газов; 4 — окна Брюстера; 5 — зерка­ла; 6— анод

Трубку или камеру с активной газовой средой помещают в оп­тический резонатор, состоящий из зеркал различной конфигура­ции. Плоскости зеркал должны быть перпендикулярны продольной оси трубки или камеры с газом. При создании в газе инверсной на­селенности уровней в результате накачки стимулируется процесс вынужденного излучения. Лазерное излучение выводится из резо­натора через полупрозрачное зеркало, через края непрозрачного зеркала или через отверстие в нем.

Среди отличительных особенностей газовых лазеров по сравне­нию с лазерами на конденсированных средах следует отметить сле­дующие: высокая оптическая однородность активной среды; узкие спектральные линии излучения; высокая степень когерентности излучения; острая направленность излучения; стабильностьчасто- ты излучения; широкий диапазон рабочих длин волн излучения; возможность использования активных газовых сред большого объе­ма и протяженности.

По способу накачки газовые лазеры условно делят на газораз­рядные, газодинамические и химические.

Лазеры на нейтральных атомах. Первым газовым лазером был гелий-неоновый лазер. Он относится к газоразрядным лазерам. Инверсная населенность уровней в нем осуществлялась с помощью газового разряда. Атомы возбуждались при их соударении со сво­бодными быстрыми электронами. Давление газов выбирали в пре­делах долей миллиметра ртутного столба. Малая плотность газов позволяет зародившемуся в результате вынужденного излучения лучу многократно проходить между зеркалами резонатора, не иска­жаясь.

На рис. 9.13 приведена схема газового Не—№-лазера. Капил­ляр с газом помещают в цилиндр катода газоразрядной трубки. Окна Брюстера помогают уменьшить потери излучения за проход луча. В гелии-неоновом лазере рабочим веществом служат ней­тральные атомы неона.

Инверсия населенностей уровней осуществляется за счет пер­воначального возбуждения атомов гелия на уровни Ег и £₃. Они точно совпадают с уровнями £₄ и Е₅ возбужденных атомов неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит перекачка энергии. Механизм резонансной передачи возбуждения позволяет перевести атомы неона в возбужденное со­стояние. Гелий как буферный газ является резервуаром возбужде­ний неона. Нельзя возбудить неон прямым переходом на уровни £* и Е$ из-за долгоживущего метастабильного уровня Е₂. Инверсия населенностей достигается за счет долгоживущих уровней Е₄ и Е₅ Именно переход с них на уровень Е_ъ и позволяет получить стиму­лированное излучение в красном и инфракрасном диапазонах длин волн.

Опустошение короткоживущего уровня Ез неона происходит в результате соударений атомов неона со стенками разрядной труб­ки, это позволяет перевести их на уровень подбирая оптималь-

ный диаметр газоразрядной трубки (до 10 мм). Генерация в крас­ном диапазоне происходит на длине волны 0,63 мкм (6328 А). Воз­можна генерация излучения гелий-неоновых лазеров на длине вол­ны 1,15 и 3,39 мкм. В настоящее время получена генерация на бо­лее чем 450 переходах между уровнями нейтральных атомов. Поми­мо гелий-неонового лазера весьма популярен ксеноновый лазер, генерирующий на длине волны X = 3,5 мкм и гелий-ксеноновый (к = 2,02 мкм). Эти лазеры работают в непрерывном режиме, кото­рый обеспечивается газоразрядной накачкой.

Важнейшими особенностями газовых лазеров в отличие от ла­зеров на конденсированных средах являются высокая оптическая однородность активной среды, отюда узкие спектральные линии излучения, высокая монохроматичность и высокая когерентность, острая направленность излучения и стабильность частоты.

Газовые лазеры работают в широком диапазоне длин волн (100 нм...1000 мкм) и мощностей излучения (100 мкВт...1 МВт) в непрерывном режиме и до 1 ТВт в импульсном режиме.

Ионные лазеры используют в качестве рабочих веществ ионизи­рованные инертные газы (ксенон, криптон, аргон, неон), а также ионы фосфора, серы, хлора, кадмия, цинка и др.

В ионных газовых лазерах лазерные переходы происходят меж­ду ионизированными уровнями. Этому способствуют большие плотности тока при ионизации газов. Инверсия населенностей уровней осуществляется между уровнями Е₃ и £4. Уровень Еа с большим временем жизни сильно заселяется возбужденными ато­мами. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми элек­тронами в газовом разряде, а также путем перехода с полосы Е5 (рис. 9.14). Уровень Е₃ имеет короткое время жизни относительно уровня Е\ и поэтому быстро опустошается. Для сильной иониза­ции газа ток пропускают через длинный капилляр, который охлаж­дается в результате выделения энергии. Для увеличения концентра­ции электронов в центре капилляра создают продольное магнитное поле, которое сжимает разряд и предохраняет стенки от разруше­ния.

На рис. 9.15 приведена одна из схем ионного лазера. Первич­ные электроны генерируются катодом и на своем пути в разрядной трубке ионизируют газ. Для компенсации перекачки газов исполь­зуют длинную трубку, которая не шунтирует газовый разряд. Раз­ряд в газе возбуждается постоянным, либо переменным высокочас­тотным полем.

Молекулярные лазеры — это оптические квантовые генераторы, в качестве активного вешества которых используют молекулы. В отличие от атомов молекулы газов имеют, помимо электронных, также колебательные и вращательные энергетические уровни.

Первый молекулярный лазер был реализован на смеси молекул углекислого газа и азота. Лазеры, в которых возбуждение рабочей смеси достигается за счет возбуждения разряда высокого давления и пучка быстрых электронов с энергией до 500 кэВ, называют элек- троионизированные С0₂-лазеры. С 1 м активной среды можно снять до 100 кдж. В электрическом разряде имеют место и нежелатель­ные эффекты, такие как разогрев газа и диссоциация его молекул, Эти паразитные эффекты можно устранить, непрерывно прокачи­вая газовую смесь через разрядные трубки лазеров для регенерации газовой смеси.

Особую техническую трудность представляет лазерные зеркага. Их делают из кристаллов КС1, 2п$е, СсГГе, п-Са, >{аС1. Большая выходная мощность излучения выводится не как обычно через по­лупрозрачное зеркало, а через прозрачное для ИК-излучения окно в зеркале. Помимо молекулярных лазеров на С0₂ разработаны ла­зеры на парах воды, работающие на длинах волн X = 27,9 мкм,

X = 118,6 мкм.

В далеком инфракрасном диапазоне (к = 337 мкм) работают ла­зеры на молекулах НСЫ. Коэффициент полезного действия моле­кулярных лазеров достигает 20 %, а максимальная мощность 100 МВт и более.

Газодинамические лазеры — газовые лазеры, в которых инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых га­зовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Другими словами, в качестве активной среды используют быстро охлажда­емую смесь газов, инверсную населенность уровней в которой дос­тигают при следующих условиях: скорость опустошения нижнего уровня лазерного перехода выше скорости опустошения внешнего уровня; время опустошения верхнего уровня больше времени дви­жения газа в резонаторе. Эти условия обеспечивают так называе­мую инверсию населенностей верхних уровней.

На рис. 9.16. приведена схема газодинамического лазера. В ка­мере сгорания сжигается углеводородное топливо с воздухом в ка­честве окислителя. Нагретая газовая смесь аэродинамическими средствами разгоняется до сверхзвуковой скорости (примерно

1,8 км/с) и резко расширяется. Молекулы газа (С0₂, Аг, N6) опус­тошают свой инверсный уровень, что создает условия для генера- 266

ции излучения. Оптический резонатор, зеркала которого парал­лельны потоку, имеет значительные размеры и способен усиливать колебания на длинах волн: 18,4; 16,7; 16,2 мкм. На С0₂-лазере по­лучено излучение на длине X = 5 мкм. В непрерывном режиме по­лучена мощность 10² кВт при КПД«1 %.

Эксимерные лазеры — газовые лазеры, активная среда которых представляет собой электронные переходы эксимерных молекул.

Эксимеры — двухатомные молекулы, не обладающие устойчи­вым основным состоянием. Такая двухатомная молекула лишь на короткое время приобретает стабильность и только в возбужденном состоянии. Когда эта молекула отдает свою энергию возбуждения через излучение и возвращается в основное состояние, она вновь распадается на свои два атома. Таким образом, по сравнению с возбужденным состоянием, основное состояние обладает чрезвы­чайно коротким временем жизни. У лазеров на эксимере это неста­бильное основное состояние одновременно является нижним ла­зерным уровнем. Время жизни возбужденной эксимерной молеку­лы определяется временем ее радиационного распада. Нижнее со­стояние лазерного перехода опустошается в процессе разлета ато­мов эксимерной молекулы.

В лазерах используют галоидные соединения на инертном газе (Агр*, ЮТ⁷*, ХеСГ, ХеР*) и димеры инертного газа (Аг*₂, Кг*₂). Ин­декс * означает, что речь идет о молекулах с электронным возбуж­дением.

Для возбужденного электронного состояния, которое является верхним уровнем лазерного перехода, имеется минимум. Этот ми­нимум и определяет существование эксимерной молекулы. Газ, со­держащий эксимерные молекулы, является активной средой. Экси-

мерные молекулы, как правило, представляют собой короткоживу- щие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогена­ми и кислородом.

Конструкция эксимерных лазеров типична для газовых лазеров. Возбуждение активной среды производят электронными пучками, газовым разрядом, оптической накачкой или комбинацией этих способов. Длина волны излучения лежит в видимой или ближней УФ-области спектра.

Особенностью эксимерных лазеров является большая ширина линии усиления активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры УФ-диапазона волн. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волны в достаточ­но широком диапазоне. Эксимерные лазеры широко используются в промышленности, медицине, микроэлектронике, научных иссле­дованиях.

9.6. Химические лазеры

Химические лазеры — лазеры, в которых инверсия населенностей создается во время экзотерических химических реакций, приводя­щих к преобразованию химической энергии в энергию электромаг­нитного излучения. Различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазеры: фотодиссоциация, или распад молекул под действием излучение; диссоциация молекул при электрическом разряде в газе; взаимодействие молекул, атомов и соединений.

Химический лазер с использованием реакции фторирования водорода представлен на рис. 9.17. Молекулярный азот N2 нагрева­ют в камере до Т = 2000 К и одновременно в реактивную камеру вводят газообразный гексафторид серы (5Р₆). В процессе смешения с горячим азотом происходит диссоциация с образованием атомов фтора. Смесь продувается со сверхзвуковой скоростью через сопла Лаваля. Одновременно вводится водород Н₂. В результате взаимо­действия фтора и водорода образуются колебательно-возбужденные молекулы фтористого водорода (НР)*, которые проникают через оптический резонатор из параллельных зеркал. В оптическом резо­наторе возбуждается когерентное излучение на длине волны 2,6...3,6 мкм. Мощность непрерывной генерации достигает десят­ков киловатт при КПД * 10 %.

Лазеры на парах металлов — газовые лазеры, активная среда ко­торых пары металла. Генерация газовых лазеров осуществляется на переходах атомов и атомарных ионов более 50 элементов, из них половина на переходах атомов или ионов металлов. Разрядная трубка с металлом помещается в трубчатую печь. Для поддержания разряда в ненагреваемых частях трубки используется буферный инертный газ, например гелий (рис. 9.18). В некоторых конструк­циях буферный газ используют в процессе создания инверсной за­селенности уровней, например в гелий-кадмиевом лазере. Вместо термического нагрева иногда используют явление катафореза, или движения дисперсионных частиц под действием электрического поля. Это явление вызвано существованием на границе двойного электрического слоя.

9.7. Лазеры на парах металла

Одной из перспективных конструкций является лазер на парах меди. При переходах с резонансного на метастабильный уровень в активной системе в лазере возникает уникально высокий коэффи­циент усиления. Эти лазеры могут работать в режиме сверхсвети­мости. при котором использование оптического резонатора необя­зательно.

Такая возможность позволяет использовать лазер на парах меди в качестве когерентных усилителей света, способных за один пере­ход активной среды на несколько порядков усилить яркость свето­вых пучков, формирующих изображение или какую-нибудь опти­ческую информацию. Лазер на парах меди генерирует в зеленой части спектра а = 0,510 мкм. Возможна генерация на желтой линии л = 0,578 мкм. Накачку активной среды в лазерах на парах метал­лов производят газовым разрядом, оптическим способом, рекомби­нацией двукратно заряженных ионов.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение квантовой электронике.

2. Как вы понимаете вынужденный квантовый переход?

3. Что такое вероятность вынужденного испускания и как ее выразить?

4. Что такое разрешенные и запрещенные квантовые переходы?

5. Какие факторы влияют на уширение спектральной линии?

6. Что такое процесс накачки?

7. Что собой представляет активная квантовая среда?

Н. Как вы себе представляете отрицательную температуру в квантовой системе? Что такое лазер?

9. Как создается положительная обратная связь в лазере?

10. Что такое мода лазера? Какие моды вы знаете?

11. Что такое добротность лазерного резонатора?

12. Что такое когерентность лазерного ипучения?

13. Как определяется {»сходимость лазерного излучения?

14. Что такое диаграмма направленности лазерного излучения?

15-Что такое твердотельный лазер?

16. Нарисуйте типичную функциональную схему лазера.

17. Какие активные среды твердотельных лазеров вы знаете?

18. Что такое полупроводниковый лазер?

19. Что такое инжекционный лазер и как он устроен?

20. Что такое гетеролазер и как он устроен?

21. Что собой представляет лазер с вертикальным резонатором?

22. Что такое жидкостной лазер и как он устроен?

23. Опишите конструкцию и дайте характеристику Не—№-лазеру. 24 ч_то такое ионный лазер?

25. Что такое молекулярный лазер?