Открыть главное меню

Накачка лазера

(перенаправлено с «Оптическая накачка лазера»)

Накачка лазера — процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбуждённое состояние. Когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населённости. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера или же оптическое усиление. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Энергия накачки может предоставляться в виде света, электрического тока, энергии химической или ядерной реакций, тепловой или механической энергии.

Содержание

Физика процессаПравить

 
На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки.[1] При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации[2][3].

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации[1].

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd3+, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки.[2] Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений.[4] Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (ηквантовое = hνизлучения/hνнакачки)

Оптическая накачкаПравить

 
Рубиновый лазер. Лампы-вспышки слева и справа от рубинового стержня. Размеры стержня и ламп 150 мм на Ø10 мм.
 
Различные конструкции отражателей лазерной головки с накачкой трубчатыми лампами.

Оптическая накачка лазера подразумевает наличие источника света, оптической системы для концентрации этого света на рабочем теле лазера и собственно рабочего тела лазера. Тип лампы и рабочее тело лазера должны подходить друг другу по спектрам излучения и поглощения соответственно. В качестве источника света обычно применяют:

Оптическая накачка лазера, как правило, производится с боковой стороны рабочей среды лазера. Лазеры чаще всего твердотельные (представлены в виде стержня из кристалла или активированного примесями стекла) или лазеры на красителях (в виде жидкого раствора красителя в стеклянной трубке или струи раствора красителя («поперечная прокачка»)). Для наиболее эффективного использования энергии излучения, лампа и активная среда находятся в полости с зеркальной поверхностью, которая направляет бо́льшую часть света лампы на рабочую среду. Для мощных лазеров с ламповой накачкой предусматривается жидкостное охлаждение. Полупроводниковые светоизлучающие приборы монтируются на теплоотводе.

Накачка лазера излучением другого лазера применяется когда спектр или мощность излучения требуемого лазера не совпадает с доступными лазерами. В таком случае подбирается пара из доступного лазера и рабочего тела. Лазер освещает рабочее тело в своем спектре излучения, а рабочее тело излучает в требуемом спектре. Мощность излучения увеличивают облучая рабочее тело несколькими маломощными лазерами. Разновидность таких лазеров (твердотельный лазер с диодной накачкой, англ. DPSS) получила широкое распространение в виде лазерных указок разнообразных цветов. Накачка лазером (а не обычным светодиодом) упрощает систему фокусировки излучения накачки на рабочем теле, уменьшая габариты и увеличивая КПД конструкции. В промышленности распространены мощные волоконные лазеры на аналогичном принципе.

Электрическая накачкаПравить

Непосредственная накачка лазеров электрическим током проработана для двух типов лазеров: газовых (электрическим разрядом в рабочем теле лазера) и полупроводниковых.

В газовых лазерахПравить

 
Газовый лазер с накачкой электрическим разрядом

Газовые лазеры обычно представляют собой стеклянную трубку, заполненную специальным газом или смесью газов. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения. Для возбуждения рабочей среды таких лазеров используются те же приемы что и для поджига обычных газоразрядных ламп:

В полупроводниковых лазерахПравить

Полупроводниковый лазер — полупроводниковый прибор, непосредственно в структуре которого возникает лазерное излучение под действием электрического тока. Для этого класса лазеров накачка электрическим током является основным методом.

Газодинамическая накачкаПравить

 
Газодинамический лазер

Газодинамический лазер состоит из сопла, через которое со сверхзвуковой скоростью (до 4 махов) выходит перегретый до полутора тысяч градусов газ. Мгновенное расширение и адиабатическое охлаждение газа оставляет в газе значительное количество молекул в возбужденном состоянии. Далее рабочее тело попадает в конструкцию, аналогичную газовым лазерам, где возбужденные молекулы переходят в основное состояние, участвуя в вынужденном излучении. Зачастую конструкция такого лазера основана на авиационных турбореактивных двигателях или ракетных двигателях. Газодинамический принцип накачки, несмотря на невысокий КПД, может давать лазерное излучение сверхвысоких энергий (до мегаватт) как в импульсном так и в непрерывном режимах. [5][6][7][8][9]

Химическая накачкаПравить

Лазеры с использованием энергии химической реакции — это разновидность газовых лазеров, через рабочую зону которых непрерывно прокачивают газообразные реагенты. При химической реакции между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии, переходящие в основное состояние с испусканием фотона. Газовые лазеры могут давать большие мощности излучения при относительно компактных размерах. Одна из проблем газовых лазеров — плохая экологичность вследствие обильного токсичного выхлопа.

Ядерная накачкаПравить

Энергия ядерного взрыва является наиболее экзотическим способом накачки лазеров. Любое вещество в эпицентре взрыва превращается в плазму, которая, остывая, вновь образует атомы, но уже возбужденные. Если из исходного вещества предварительно изготовить длинный стержень, то в нём в направлении вдоль оси могут сформироваться условия для возникновения вынужденного излучения, генерируемого в результате перехода атомов в основное состояние. Очевидно, что подобный лазер импульсный и одноразовый. Огромная энергетика предопределяет рентгеновский диапазон излучения.

Другие методыПравить

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 А. Н. Ораевский. Лазер // под. ред. М. Е. Жаботинского Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1969. — С. 89-118.
  2. 1 2 М. Е. Жаботинский. Лазер (оптический квантовый генератор) // под. ред. А. М. Прохорова Физический энциклопедический словарь. — М.: «Советская энциклопедия», 1984. — С. 337-340.
  3. François Balembois et Sébastien Forget. Laser : Fundamentals // Spectroscopic systems used to create a laser (англ.) (недоступная ссылка). Prn1.univ-lemans.fr. Дата обращения 28 июля 2009. Архивировано 6 июня 2008 года.
  4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 2-е. — М.: Наука, 1985. — Т. IV. Оптика. — С. 714-721. — 735 с.
  5. Газодинамический лазер - Физическая энциклопедия
  6. Лазерный гиперболоид: Супероружие «Газпрома» — Популярная механика
  7. Непрерывный газодинамический бортовой космический СО2 лазер РД0600б, ОАО "Конструкторское бюро химавтоматика"
  8. Газодинамический Лазер
  9. http://ganzfeld.narod.ru/laser/gasodinam.htm