5.2.2. Лазеры.
Естественные источники света, в том числе и светоизлучающие диоды и транзисторы излучают некогерентный свет – электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Некогерентный свет не удается сфокусировать в достаточно узкий и тонкий луч, хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.
Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора – лазера. Он открыл невиданные прежде возможности в оптоэлектронике.
Теоретические основы оптического квантового генератора разработали российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров.
В лазере излучают атомы вещества – рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть твердым, жидким (редко) и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т.е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки – импульсная лампа-вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом – кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд. В газовых лазерах плотность атомов мала, поэтому они работают на малых мощностях (милливатты, ватты) в непрерывном режиме.
Возбужденные атомы рабочего вещества необходимо заставить излучать синхронно на одной и той же волне (частоте), с одной и той же фазой и поляризацией. Различают спонтанное и вынужденное излучение. В лазерах используют последнее. Рабочее вещество подбирают таким образом, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Возбужденные накачкой атомы остаются некоторое время на этом энергетическом уровне. Если в это время мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один , точно такой же квант. Это и будет индуцированное или вынужденное излучение. Чтобы выполнить все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор – два зеркала, установленные строго параллельно друг другу. Свет в них переотражается множество раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн оптического излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз.
Одно из зеркал делается полупрозрчным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.
Луч лазера очень тонок и слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра.
Лазерное излучение монохроматично, то есть содержит только одну частоту или одну длину волны.
Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n-переход, как и светодиод, но структура его существенно отличается от структуры светодиода. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n-переход должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень. Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.
Полупроводниковые лазеры имеют заметно худшую когерентность и больший угол расходимости пучка, по сравнению с твердотельными и газовыми. Но зато они имеют такие достоинства, как миниатюрность, экономичность и надежность в работе, низковольтное питание. В ряде случаев эти преимущества являются решающими. |
