Принцип работы лазеровАвтор перевода: Р. Э. Денисюк Автор: R. Paschot Источник: www.rp-photonics.co
Первым лазерным аппаратом был импульсный рубиновый лазер, продемонстрированный Теодор Мейман в 1960. В том же году были созданы газовый лазер (гелий-неоновый лазер) и первый лазерный диод. Перед этой экспериментальной работой Артур Шавлов, Чарльз Хард Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров опубликовали новаторскую теоретическую работу о принципах работы лазеров и микроволновых усилителях. Генератор (мазер) был разработан группой Таунс в 1953 году. Термин Лазерная технология лежит в основе более широкой области фотоники, в основном потому, что лазерный свет имеет ряд особых свойств: – Это, как правило, излучаемый в качестве лазерного луча свет, который может распространяться на большие длины без особого расхождения и может быть сфокусирован в очень маленькие пятна. – Он может иметь очень узкую оптический пропускную способность, в то время как большинство ламп излучают свет с очень широким оптическим спектром. – Он может излучаться непрерывно или в виде коротких или сверхкоротких импульсов с длительностью от микросекунд до нескольких фемтосекунд. Эти свойства делают лазерный луч очень интересным для широкого круга применения из-за высокой степени точности лазерного излучения. Статьи о лазерном свете и применении лазеров датют более подробную информацию. Принцип работы лазеровЛазерный генератор обычно включает в себя оптический резонатор (резонатора лазера, лазерной полости), в которой свет может циркулировать (например, между двумя зеркалами), и в течение этого времени усиливающую среду (например, лазерного кристалла), который служит для усиления света. Без активной среды, циркулирующий свет будет становится слабее и слабее в каждом цикле резонатора, так как он испытывает некоторые потери, например, при отражении на зеркалах. Однако среда может усиливать циркулирующей свет, таким образом, компенсируя убытки, если коэффициент усиления достаточно высокий. Прирост среды требует внешнего источника энергии это должна быть 
Рисунок 1 – Структура лазера Лазер не может работать, если накачка меньше, чем потери резонатора; Устройство так называемого порога генерации излучает только некоторые люминесценции света. Значительная выходная мощность достигается только для мощностей накачки выше порога генерации, где прирост может превышать потери резонатора. Если усиление больше, чем потери, сила света в лазерном резонаторе быстро усиливается, начиная, например, с низкого уровня света от флуоресценции. Если лазерное насыщение усилить, то мощность лазера будет в стационарном состоянии достигать уровня, такого что насыщение просто равно потери резонатора (усиления зажимные). Не доходя до этого устойчивого состояния, лазеры обычно терпят некоторые колебания. Пороговая мощность накачки являющаяся мощностью накачки, где коэффициента усиления сигнала как раз достаточно для генерации. Некоторая часть световой мощности, циркулирующей в резонаторе обычно передается с помощью полупрозрачного зеркала, так называемым выходным устройством зеркала. Полученный пучок представляет собой полезный сигнал лазера. Передача выходного устройства зеркала могжет быть оптимизирована для максимальной выходной мощности. Некоторые лазеры работают в непрерывном состоянии, тогда как другие генерируют импульсы, которые могут быть особенно интенсивным. Существуют различные методы для генерации импульса с лазерами, позволяя серию импульсов с длительностью в микросекунды, наносекунды , пикосекунды, или даже несколько фемтосекунд. Оптическая пропускная способность (или ширина полосы) лазера может быть очень маленькой, когда только один режим резонатора колеблится (одночастотной работы). В других случаях, особенно для синхронизации лазеров, полоса пропускания может быть очень большой - в крайних случаях это может занимать полную октаву. Центральная частота лазерного излучения, как правило, вблизи частоты максимального усиления, но если потери резонатора зависят от частоты, длина волны лазера может быть настроена в диапазоне, где коэффициент усиления достаточно доступен. Некоторые широкополосные усиления, такие как титан-сапфировые допускают перестройкиъу длины волны на сотни нанометров. Из-за различных воздействий, выход лазеров всегда содержит некоторое количество шума у различных параметров, таких как выходная мощность или оптическая фаза. Типы лазеровНаиболее распространенные типы лазеров: – Полупроводниковые лазеры (в основном лазерные диоды), электрические (или иногда оптически), эффективно генерируют очень высокие выходные мощности (но, как правило с плохим качеством луча), или низкие мощности с хорошими пространственными свойствами (например, для применения в CD и DVD-плеерах), импульсы (например, для телекоммуникационных приложений) с очень высокими частотами повторения импульсов. Специальные типы включают квантовые каскадные лазеры и поверхностно-излучающих полупроводниковых лазеров, последний также пригодные для генерации импульса с высокими мощностями. – Твердотельные лазеры на основе ионно-легированных кристаллов или стекол (легированные лазеры), с накачкой газоразрядных ламп или лазерных диодов, генерирующие высокие выходные мощности, или более низкие мощности с очень высоким качеством луча, спектральной чистотой и/или стабильности (например, для прицела), или сверхкороткие импульсы с пико- или фемтосекундных длительностей. Общие усилителями являются Nd: YAG, Nd: YVO 4, Nd: YLF, Nd: стекло, YAG: Yb, Yb: стекло, титан-сапфир, Cr: YAG и Cr: LiSAF. Особый тип ионно-легированных стеклянных лазеров: – Волоконные лазеры, основанные на оптических стеклянных волоконах, которые, легированны некоторыми ионами лазерно-активных в среде волокнами. Волоконные лазеры могут добиться чрезвычайно высокой выходной мощности (до киловатт) с высоким качеством пучка, позволяют добится широкой длины волны, узкой ширины линии работы и т.д. – Газовые лазеры (например, гелий-неоновые лазеры, СО2 лазеры , а также аргоновые ионные лазеры) и эксимерные лазеры на основе газов, которые, как правило, вызывают электрические разряды. Часто используемые газы включают CO2, аргон, криптон и газовые смеси, такие как гелий-неон. Общие эксимерами являются ArF, KrF, XeF, и F2. Реже встречаются химические и лазеры с ядерной накачкой, лазеры на свободных электронах и рентгеновские лазеры. Лазерные источники в более широком смыслеЕсть некоторые источники света, которые не являются строго лазерами, но, тем не менее, часто называемые лазерными источниками: – В некоторых случаях этот термин используется для усилительных устройств, испускающих свет. В качестве примера могут послужить рентгеновские лазеры, которые обычно являются суперлюминесцентные источниками, основанными на излучении с последующим однопроходном усиления. Там нет никакого резонатора лазера. Аналогичная ситуация имеет место для генераторов оптических параметрических, где усиление, не основано на вынужденном излучении. Свет от таких устройств может иметь лазерные свойства, такие как строгая направленность излучения и ограниченная оптическая пропускная способность. – В других случаях термин лазерные источники оправданы тем, что источник содержит лазер, среди других компонентов. Это тот случай, для комбинаций лазеров и усилителей (усилитель мощности генератора , а также для источников на основе нелинейного преобразования частоты лазерного излучения, например с удвоителем частоты или оптических параметрических генераторов. Аспекты безопасностиРабота с лазерами может поднять важные вопросы безопасности. Некоторые из тех, которые непосредственно связаны с лазерным излучением, в частности, высокая оптическая интенсивность, но есть и другие опасности, связанные с лазерными источниками. См. статью на лазерной безопасности. Библиография
|
