23. Лазеры: типы, основные элементы, условия работы Типы - ПП, газовые, электроионизационные, химические, инжекционные, твердотельные... УР: инверсная заселённость, трёхуровневая схема, метастабильный уровень для инверсной заселённости Элементы: 1-накачка, 2-активная среда, 3-резонатор Лазер: квантовый генератор когерентного остро- направленного ЭМИ большой интенсивности; индуцированное излучение (лампочка, Солнце – спонтанное излучение)

Л.39 (30) Лазеры (мазеры) Мазер – Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation Ч.Таунс жив в 2009 Н.Г.Басов А.М.Прохоров

3 Теодор Гарольд Мейман (США) Али Джаван (1927, Иран 1960 Лазер – Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation Твердотельный лазер Газовый лазер Режим работы - импульсный Режим работы - непрерывный

5 Лазеры: теория появилась намного раньше эксперимента Теоретические основы: Эйнштейн, 1917 г Спонтанное и индуцированное излучение атомов

7 Задача, которую решал Эйнштейн в 1916 г. после создания ОТО: вывести формулу Планка по-своему Формула Планка (Макс Планк, 1900). Спектральная плотность энергетической светимости Мощность ЭМИ, испускаемого с единицы поверхности нагретого АЧТ в малом интервале частот. Излучение находится в равновесии с веществом

9 Двухуровневая модель: среда состоит из одинаковых невзаимодействующих атомов, каждый из которых имеет ДВА уровня энергии В состоянии теплового равновесия

11 Равновесие динамическое: есть переходы вниз – излучение, есть переходы вверх - поглощение Оно обеспечивается двумя очевидными процессами: 1) спонтанное излучение (возникает само собой), 2) поглощение (всегда под влиянием фотона, индуцированное, вынужденное)..... но НЕОБХОДИМ ещё один неочевидный процесс: 3) Индуцированное (вынужденное, под влиянием фотона) излучение..... На самом деле спонтанное излучение – тоже не «само собой», а под влиянием вакуумных флуктуаций

13 Различие между фотонами спонтанного и индуцированного излучения Спонтанное излучение 1) Фотоны имеют различные фазы, они некогерентны 2) Фотоны движутся в различных направлениях Индуцированное излучение 1) Испускаемый фотон имеет ТУ ЖЕ ФАЗУ, что и индуцирующий фотон: они когерентны 2) Испускаемый фотон движется в ТОМ ЖЕ направлении, что и индуцирующий фотон: излучение остронаправлено

Рис.3.3до. Поглощение света. Атом в основном состоянии и фотон, налетающий на атом. Рис.3.3после. Поглощение света. Атом поглотил фотон и перешёл в возбуждённое состояние. Фотон больше не существует. 15 Элементарные процессы взаимодействия излучения и вещества: поглощение света

17 Элементарные процессы взаимодействия излучения и вещества: спонтанное излучение света Рис.3.4до. Спонтанное излучение света. Атом в возбуждённом состоянии может испустить фотон. Рис.3.4после. Спонтанное излучение света. Атом испустил фотон и перешёл в основное состояние.

1919 Элементарные процессы взаимодействия излучения и вещества: индуцированное излучение света Рис.3.5до. Индуцированное излучение. Атом в возбуждённом состоянии и фотон, налетающий на атом. Рис.3.5после. Индуцированное излучение. Атом перешёл в основное состояние, испустив фотон.

2121 Итак, если мы хотим получить когерентное остронаправленное излучение надо 1) Иметь какой-нибудь источник энергии, с помощью которого мы будем производить «накачку», т.е получать инверсную населённость

23 Итак, если мы хотим получить когерентное остронаправленное излучение надо 2) Создать инверсную населённость – активную среду – осуществить накачку. Для этого надо подбирать подходящее вещество – «лазерный материал»

25 Итак, если мы хотим получить когерентное остронаправленное излучение надо 3) Усилить первоначально слабое индуцированное излучение с помощью положительной обратной связи: поместить активную среду в резонатор

Лазерные материалы: из чего «делают» активную среду 27 1) Монокристалл рубина (Т.Мейман) – твердотельные лазеры 2) Монокристалл GaAs (Ж.И. Алфёров) – полупроводниковые лазеры 3) Гелий-неоновая газовая смесь (А.Джаван) – газовые лазеры 4) Жидкостные лазеры 5) Лазеры на свободных электронах

Методы накачки 29 Твердотельные лазеры: свет от мощных ламп-вспышек. Режим работы - импульсный Полупроводниковые лазеры: пропускание электрического тока, накачка электронным пучком Газовые лазеры: Пропускание электрического тока (газоразрядные лазеры) Накачка электронным пучком Накачка адиабатическим охлаждением (газодинамические лазеры) Накачка за счёт химических реакций (химические лазеры)

Методы накачки 31 Лазеры на свободных электронах: Быстрые электроны «загоняют» в периодическое магнитное поле – частоту можно менять за счёт скорости электронов – эффект Доплера. Накачка - ускоритель

Эффект Доплера: зависимость частоты излучения от скорости источника 33

Трёхуровневая энергетическая диаграмма активной среды гелий-неонового лазера 35 Гелий – накачка электронным ударом, метастабильные уровни Неон – обычные возбуждённые уровни, излучательный переход

Трёхуровневая диаграмма активной среды гелий-неонового лазера 36 Неон – обычные возбуждённые уровни, излучательный переход, 3р и 2р уровни быстро опустошаются за счёт спонтанных переходов Гелий – накачка электронным ударом. Метастабиль- ные (?) уровни, от них энергия передаётся в резонансных столкновениях атомам неона

37 Рубиновый лазер – один из первых твердотельных лазеров Рубин – кристалл Al 2 O 3 (корунд) с небольшой добавкой ионов Cr 3+

39 ЭмиттерБаза В nПП дырки – неосновные носители, в равновесии p

41

43 Инжекционные ПП лазеры ЭмиттерБаза Инжекция (инъекция) - впрыскивание Концентрация дырок больше равновесной (в базе дырки – неосновные носители)

Рисунок из Нобелевской лекции Н.Г.Басова (1964 г.) Его группой были созданы первые инжекционные ПП гомолазеры 45

47 Недостатки инжекционных гомолазеров 1) Большой ток накачки => нагрев => охлаждение или импульсный режим 2) Невысокий КПД, понижается с ростом температуры 3) Малые размеры резонатора => сильная расходимость излучения

49 ПП гетеролазеры: сверхинжекция

51 ПП гетеролазеры: сверхинжекция

53 ПП гетеролазеры: сверхинжекция

55 ПП гетеролазеры: сверхинжекция Показатель преломления меньше Показатель преломления меньше Показатель преломления больше Излучение распространя- ется перпен- дикулярно плоскости рисунка, оно «зажато» в области инверсной заселённости, получился практически световод

57 ПП гетеролазеры: преимущества 1) Миниатюрность: длина резонатора 200 мкм 2) Малая инерционность – время релаксации порядка 1 нсек 3) Высокий КПД – до 50% 4) Возможно плавное изменение длины волны излучения 5) Совместимость с ПП приборами других типов и возможность интеграции 6) Можно изменять длину волны с помощью электрического сигнала 7) Низкое требуемое напряжение (1-3 В) 8) Длительный ресурс работы (100 кчас) Вся оптоэлектроника основана на гетеролазерах

Последний слайд: природные СО 2 -лазеры на Марсе и Венере, подтверждено несколькими группами ( годы) Интенсивность как функция смещения частоты. Синяя – равновесное излучение, красная – реальное (явно неравновесное) излучение с Марса ИК излучение: 9,6 мкм и 10,6 мкм, Накачка – солнечное излучение 59

62 1) Лазерная спектроскопия 2) Лазерная химия 3) Лазерный управляемый термоядерный синтез 4) Лазерная обработка материалов (металлов, керамик, биологических объектов) 5) Лазерное охлаждение газов для высокоточных часов 6) Лазерный гироскоп