IX . Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов

9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений

 длительности ультракоротких лазерных импульсов                                               135

9.2. Определение длительности одиночных лазерных импульсов по

 видности полос в интерферометре Майкельсона                                                  138

9.3. Измерение АКФ для периодической последовательности импульсов                142

9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на

 корреляционные функции излучения                                                                        143

 

           

X. Полупроводниковые лазеры

10.1. Оптические свойства полупроводников

10.2. Cвойства p-n переходов

10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах

XI. Газовые лазеры

 

Накачка газовых активных сред

11.1.1. Электрический разряд в газовой среде

11.1.2. Химическая накачка

Лазеры с газодинамической накачкой

Лазеры на нейтральных атомах

Гелий-неоновый лазер

11.3. Молекулярные лазеры

11.3.1. CO₂ – лазер

Газовые ионные лазеры

Гелий-кадмиевый лазер

Эксимерные лазеры

XII. Лазеры на свободных электронах

XIII. Основные определения, принципы, соотношения и константы физики лазеров 237

Тестовые задания

Лабораторные задания

Литература

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Определение. Лазер – это источник света. Термин ЛАЗЕР – аббревиатура выражения: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. (Применение другого названия лазера - оптический квантовый генератор, или ОКГ, которое имело хождение в СССР на ранних этапах развития физики лазеров, запрещено государственным стандартом.) 

Первый лазер на рубине был построен американским ученым Т. Майманом в 1960 г. [1]. Этой работе предшествовали работы по созданию мазеров – источников микроволнового излучения, работающих по тому же принципу, за счет вынужденных переходов в среде [2,3]. Принципиальной разницы между терминами лазер и мазер нет.

Существует несколько определений термина «лазер»:

-«Лазер – это источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии»- Советский энциклопедический словарь.

- «Лазер – это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. А.Н. Ораевский, Физическая энциклопедия.

- «Лазер – устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе» - М.Е. Жаботинский, Физический энциклопедический словарь.

- “Laser – any of a class of devices that produces an intense beam of light a very pure single color”. Энциклопедия Britanica, 2002.

- “Laser – a device that utilizes the natural oscillations of atoms or molecules between energy levels for generating coherent electromagnetic radiation usu. in the ultraviolet, visible, or infrared regions of the spectrum.” Энциклопедия Britanica, 2002.

Каждое из этих определений верно лишь частично, так как применимо не ко всем лазерам, а к определенному классу таких приборов. Как известно, при создании первых лазеров заботились в основном о монохроматичности и когерентности излучения. Излучение современных лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы, вовсе не монохроматично, а имеет широкий спектр, соизмеримый с шириной видимого диапазона спектра. Самые распространенные – полупроводниковые лазеры излучают свет в виде сильно расходящегося луча. Их излучение не обладает ни высокой монохроматичностью, ни большой степенью когерентности.

     Таким образом, более корректно звучит самое общее определение   лазера(содержащееся в его названии), как источника света, устройства, генерирующего упорядоченные во времени и пространстве электромагнитные колебания за счет вынужденных переходов между энергетическими уровнями атомов.

     Еще проще лазер можно определить как прибор, излучающий свет за счет использования среды с оптическим усилением.

     Именно упорядоченность, регулярность генерируемого света отличает идеальный лазер от других видов источников света, в которых атомы излучают кванты света в произвольные моменты времени в произвольных направлениях и с произвольным состоянием поляризации и фазы колебаний. В результате свойства естественного света, испускаемого нагретым телом, содержащим огромное число атомов, подчиняются статистическим закономерностям. Впрочем, с помощью оптических приборов (линз, монохроматоров и поляризаторов) естественный свет можно преобразовать в частично упорядоченное состояние по направлению, частоте колебаний и состоянию поляризации, однако интенсивность такого преобразованного луча будет крайне малой, в пределе стремящейся к нулю.

Условно лазеры разных типов можно разбить на три группы:

Первая группа лазеров -  излучает практически монохроматическое непрерывное излучение в виде мало расходящегося светового пучка. Поэтому спектральная плотность излучения и яркость лазера чрезвычайно высока по сравнению с тепловыми источниками света.

Такой лазер во многих случаях можносчитать идеальным лазером, генерирующим плоскую монохроматическую световую волну.

  Другая группа лазеров, появившихся в последние десятилетия, напротив, генерирует не монохроматическое излучение, а строго регулярную последовательность предельно коротких, когерентных пико- или фемтосекундных импульсов. Спектр излучения такого лазера состоит из огромного числа (сотен тысяч) дискретных частот. Огибающая спектра излучения таких лазеров соизмерима с шириной видимого диапазона.

Идеальный многочастотный лазер генерирует плоскую световую волну в виде периодической последовательности одинаковых сверхкоротких импульсов, расстояние между которыми равно времени обхода светом резонатора.

 

Третья группа лазеров – неидеальные лазеры, генерирует квазинепрерывное или импульсное излучение, содержащее тонкую временную структуру в виде нерегулярных нано- пико- или фемтосекундных пульсаций, амплитуды которых и временные интервалы между которыми флуктуируют в некоторых пределах, зависящих от параметров лазера. Такое излучение возникает в случаях, когда конструкция лазера не предусматривает специальных мер по стабилизации временной или спектральной структуры излучения. Оно особенно характерно для полупроводниковых лазеров.

Неидеальные лазеры описывают моделями, обладающими свойствами динамического хаоса. В отличие от естественного света их излучение не полностью хаотично, а частично упорядочено. Некоторые параметры регулярны, например, имеется монохроматическая несущая частота излучения и характерный период хаотических высокочастотных пульсаций, равный времени обхода светом резонатора.

Неидеальный многочастотный лазер генерирует квазипериодичскую последовательность сверхкоротких импульсов с хаотически изменяющимися амплитудами.

 

  Физика лазеров - это раздел оптики, в котором изучают новые методы генерирования света на основе лазерного принципа, проблемы взаимодействия мощного когерентного лазерного излучения с веществом и разрабатывают новые лазерные методы физических измерений. Другое название этого раздела науки – квантовая электроника.

     Применения лазеров настолько многообразны, что их просто невозможно перечислить. Трудно назвать область науки или техники, где лазеры не нашли применения. Применения лазеров называют лазерными технологиями.

     Основная тенденция развития лазерной физики и техники – все более широкое распространение полупроводниковых лазеров. В настоящее время в лазерной технике происходит процесс, вполне аналогичный происшедшему в электронике в 60-е годы 20 в., когда вакуумные лампы постепенно были вытеснены полупроводниковыми электронными устройствами.

Эффективность лазеров с оптической накачкой от газоразрядных ламп или с накачкой за счет столкновений в газовом разряде не превышает нескольких процентов, то есть меньше, чем у паровоза. Поэтому по мере совершенствования техники все большее число применений основывается на приборах, использующих полупроводниковые лазеры или непосредственно или в качестве источника света накачки. Полупроводниковые лазеры обладают высокой эффективностью, преобразуя до 50% электрической энергии накачки в свет.

 Разработки последних лет, в которых один микрокристалл полупроводникового лазера излучает порядка десяти Ватт, а матрица из микрокристаллов – несколько киловВатт непрерывной световой мощности, позволяют создавать эффективные лазерные устройства, в которых процесс преобразования излучения осуществляется многократно.

Например, полупроводниковый лазер или линейку полупроводниковых лазеров, генерирующих несколько десятков Ватт непрерывной световой мощности, используют для накачки кристалла, активированного неодимом. Излучение неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм преобразуется внутри лазерного резонатора в свет второй гармоники 0,53 мкм. При этом получают мало расходящийся луч зеленого излучения, который в свою очередь используют в качестве накачки для лазера ультракоротких импульсов на сапфире, активированном титаном. Параметрическое преобразование ультракоротких импульсов этого лазера в нелинейном кристалле или волоконном световоде позволяет создать источник ультракоротких световых импульсов, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне.

Другой пример – лазеры на одномодовых волоконных световодах, с выходной мощностью непрерывного излучения больше килоВатта. Отрезок световода с сердцевиной из стекла, активированного неодимом, или другим редкоземельным элементом, образует активную среду лазера. Распределенную обратную связь осуществляют путем создания периодического пространственного изменения показателя преломления в световедущей сердцевине световода. Накачку осуществляют линейкой полупроводниковых лазеров непосредственно в светоотражающую оболочку световода. Дальнейшее совершенствование таких волоконных лазеров обещает революцию в технологиях машинного и конвейерного производства, так как такие лазеры идеально совместимы с «рукой» робота, осуществляющего сварку, резку, раскрой и многие другие технологические операции с самыми разнообразными материалами.

     Создание лазеров привело к появлению новых разделов оптики: физики лазеров, нелинейной оптики, когерентной оптики, лазерной спектроскопии, оптической электроники.

Лазер специальной конструкции со стабилизацией частоты излучения создает основу современной квантовой метрологии: длина волны излучения этого лазера – эталон длины, а частота (которую теперь удается непосредственно измерить) – эталон времени.

     Появление лазерных источников света преобразило всю оптическую науку. Многие оптические эксперименты прошлого, требовавшие для своего выполнения от исследователей большого мастерства, теперь легко осуществить в школьной и студенческой лаборатории при использовании полупроводниковых и гелий-неоновых лазеров, которые недороги и доступны.