Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Лазер - прибор, являющийся генератором вынужденного, когерентного во времени и пространстве излучения.

Устройство лазеров основано на управлении энергетическим состоянием атомов и молекул вещества, из которого они изготовлены. У рассмотренных ранее тепловых источников излучение света также связано с переходом атомов из одного состояния в другое. Однако эти переходы в тепловых источниках излучения хаотичны во времени, и поэтому излучаемые ими световые волны одновременно находятся в различных фазах. В лазерах процесс излучения у всех атомов происходит одновременно. Поэтому световые волны в излучении лазеров абсолютно когерентны, т.е. в одной и той же фазе.

Если создать систему возбужденных активных атомов (лазерную активную среду) и пропустить через нее излучение, то возможно усиление этого излучения. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Для того чтобы лазер-усилитель превратить в лазер-генератор излучения, вводят положительную обратную связь. В качестве звена положительной обратной связи используют оптические резонаторы. Они состоят из двух полупрозрачных зеркал и обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество. В общем случае оптический резонатор - это система отражающих, преломляющих и других оптических элементов в пространстве, между которыми могут возбуждаться волны оптического излучения.

Упрощенную структурную схему лазера можно представить в виде следующих основных элементов (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 Упрощенная структурная схема лазера

1. Источник энергии, обеспечивающий создание энергии накачки. Под накачкой лазера подразумевается процесс возбуждения вещества, приводящего к возникновению лазерной активной среды. В зависимости от вида подводимой энергии различают оптическую, электрическую, электронную, химическую накачку.

2. Излучатель лазера, преобразующий энергию накачки в лазерное излучение и содержащий один или несколько активных элементов:

а) систему накачки - ряд элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи ее от источника энергии к лазерному активному элементу;

б) лазерный активный элемент, содержащий вещество, в котором создается активная среда в процессе накачки;

в) оптический резонатор.

Структурная схема лазера обычно бывает дополнена еще рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением.

По типу применяемого активного элемента лазеры подразделяются на полупроводниковые, газовые, твердотельные и жидкостные. По характеру свечения лазеры делятся на импульсные и непрерывного свечения. Для полиграфии наибольший интерес представляют газовые и твёрдотельные лазеры.

Существующие газовые лазеры обеспечивают генерацию в широком диапазоне, с ультрафиолетового до далекой инфракрасной области спектра. Активной средой газовых лазеров является образующаяся при возникновении электрического заряда газоразрядная плазма.

Используются два типа разрядов: дуговой - сильный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий - низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый, работающий на тлеющем разряде. Под действием разряда происходит возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения.

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.