Аргоновий лазер
Лазер є джерелом монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя. Саме слово "лазер" складено з перших букв англійського словосполучення "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", що означає "посилення світла в результаті вимушеного випромінювання". Справді, основний фізичний процес, визначальний дію лазера, - це вимушене випромінювання. Воно відбувається при взаємодії фотона із збудженим атомом при точному збігу енергії фотона з енергією збудження атома (або молекули). В результаті цієї взаємодії збуджений атом переходить у незбуджений стан, а надлишок енергії випромінюється у вигляді нового фотона з такою самою енергією, напрямом поширення та поляризацією, як і у первинного фотона. Таким чином, наслідком даного процесу є наявність двох абсолютно ідентичних фотонів з збудженими атомами, аналогічними першому атому, може виникнути «ланцюгова реакція» розмноження однакових фотонів, що «летять» абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появи вузькоспрямованого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідне середовище, в якому збуджених атомів було б більше, ніж не збуджених, оскільки при взаємодії фотонів з збудженими атомами відбувалося поглинання фотонів. Таке середовище називається середовищем з інверсною населеністю рівнів енергії.
Отже, крім вимушеного випромінювання фотонів збудженими атомами відбувається процес мимовільного, спонтанного випромінювання фотонів при переході збуджених атомів у збуджений стан і процес поглинання фотонів при переході атомів з збудженого стану в збуджений. Ці три процеси,супроводжуючі переходи атомів у збуджений стан і назад, були постульовані А. Ейнштейном в 1916 р. Якщо число збуджених атомів велике і існує інверсна населеність рівнів (у верхньому збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, незбудженому), то перший фотон, що народився в внаслідок спонтанного випромінювання, викличе всенаростаючу лавину появи ідентичних йому фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.
На можливість тиску світла серед з інверсною населеністю рахунок вимушеного випромінювання вперше вказав 1939 р. радянський фізик В.А.Фабрикант, який запропонував створити інверсну населеність в електричному розряді у газі. При одночасному народженні (принципово це можливо) великої кількості спонтанно випущених фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких поширюватиметься у своєму напрямку, заданому первісним фотоном відповідної лавини. В результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні спрямованого променя, ні високої монохроматичності, оскільки кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Щоб середовище з інверсною населеністю можна було використовувати, для генерації лазерного променя, тобто. спрямованого променя з високою монохроматичності, необхідно знімати інверсну населеність за допомогою первинних фотонів, які вже мають одну і ту ж спрямованість випромінювання і одну і ту ж енергію, що збігається з енергією даного переходу в атомі. У цьому випадку ми матимемо лазерний підсилювач світла. Існує, однак, і інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний із використанням зворотного зв'язку. Спонтанно народжені фотони, напрямок поширення яких не перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, що виходять за межі середовища.У той же час фотони, напрямок поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, що багаторазово посилюються в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне з дзеркал матиме невелике пропускання, то через нього виходитиме спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точному їх налаштуванні щодо один одного і щодо поздовжньої осі середовища з інверсною населеністю зворотний зв'язок може виявитися настільки ефективним, що випромінюванням «вбік» можна буде повністю знехтувати порівняно з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це справді вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовують у більшості лазерів.
Створено безліч різноманітних типів лазерів, які працюють у різних режимах. Існують лазери, що безперервно накачуються (енергія збудження надходить в активний елемент лазера безперервно), випромінювання яких має вигляд або безперервного світлового потоку, або регулярної послідовності світлових імпульсів. Частота проходження лазерних імпульсів може бути дуже високою – до 107 імпульсів за секунду. Лазери з імпульсним накачуванням (енергія збудження надходить в активний елемент окремими імпульсами) можуть випромінювати «гігантські імпульси» (тривалість імпульсу 10-8 с, інтенсивність імпульсу в максимумі до 106 кВт), а також надкороткі світлові імпульси1 інтенсивність у максимумі до 109 кВт). Як активні елементи лазерів застосовуються різні кристали, скла, напівпровідникові матеріали, рідини, а також газові середовища. Для збудження газових активних середовищ використовується електричний розряд у газі.
1. Рівні енергії для лазера на іонах аргону
аргоновий лазер фотон іонний
Активне середовище іонних лазерів у випадку утворює плазма тліючого розряду з високою щільністю струму. У найпростіших типах іонних лазерів для практичних цілей використовуються іони інертних газів, найчастіше аргону. Спрощену схему рівнів енергії для лазера на іонах аргону наведено на рис. 1 із зазначенням деяких найважливіших лазерних переходів. Повна схема рівнів енергії складна і включає ще багато інших рівнів та інші лазерні переходи, не показані на малюнку. Найбільш інтенсивні переходи мають довжини хвиль 0,4880 та 0,5145 мкм. Ці рівні є рівнями іона аргону, тому для роботи аргонового лазера атоми мають бути попередньо одноразово іонізовані. Основним станом у цій схемі є основний стан іона аргону, який розташований вище за основний стан нейтрального атома аргону майже на 16 еВ. Крім того, верхні лазерні рівні лежать приблизно на 20 еВ вище за основний іонний стан. Звідси випливає, що нейтральному атому аргону має бути передано значну кількість енергії, щоб перевести його на верхній лазерний рівень іона аргону.
Мал. 1 Схема рівнів енергії одноразово іонізованого аргону, які стосуються роботи аргонового іонного лазера.
Основний стан іона Аr+ виходить шляхом видалення одного із шести 3р-електронів зовнішньої оболонки аргону. Збуджені стани 4s і 4р виникають, коли один з 3р-електронів, що залишилися, закидається на рівні відповідно 4s і 4p. З урахуванням взаємодії з іншими 3р-електронами обидва рівні 4s і 4р складаються з кількох рівнів. Порушення верхнього лазерного 4р-рівня відбувається за допомогою двоступеневого процесу, що включає в себезіткнення з двома різними електронами. У першому зіткненні аргон іонізується, тобто. перетворюється на основний стан іона Аr. Іон Аr+, що знаходиться в основному стані, відчуває друге зіткнення з електроном, що може призвести до наступних трьох різних процесів: 1) безпосереднє збудження іона Аr+ на 4р-рівень; 2) збудження в більш високо лежать стану з наступними каскадними випромінювальними переходами на рівень 4р; 3) збудження на метастабільні рівні з наступним третім зіткненням з електроном, що призводить до збудження на 4р-рівень. Оскільки процеси 1 і 2 включають два етапи, пов'язаних зі зіткненнями з електронами, слід очікувати, що швидкість накачування у верхній стан буде пропорційна квадрату щільності струму розряду. Справді, швидкість накачування верхнього стану (dN2/dt)p повинна мати вигляд (dN2/dt)p
N2e, де Neі Nt – щільності електронів та іонів у плазмі (Ne ≈ Ni в плазмі позитивного стовпа). Так як електричне поле в розряді не залежить від розрядного струму, щільність електронів непропорційна щільності розрядного струму і з попереднього виразу випливає, що (dN2/dt)p
J2. Можна показати, що при високих густинах струму розглянутий вище процес 3 також призводить до того, що швидкість накачування пропорційна J2. Таким чином, накачування різко зростає зі збільшенням щільності струму і для того, щоб розглянутий вище малоефективний двоступінчастий процес дозволив закачати достатньо іонів у верхній стан, необхідні високі щільності струму (
1 кА/см2). Цим можна пояснити, чому перший запуск Ar+-лазера відбувся близько 3-х років після запуску Не-Ne-лазера. Іон Аr+, будучи закинутий на верхній лазерний рівень 4р, може релаксувати рівень 4s за допомогою швидкої (
10-8 с) випромінювальної релаксації. Однак слід зауважити, що релаксація з нижнього лазерного 4s-рівня в основний стан Аr+ відбувається за час, який приблизно в 10 разів коротший. Таким чином, умова безперервної генерації виконується.
Зі сказаного вище слід, що генерацію в аргоновому лазері слід очікувати на переході 4p→4s. Так як обидва рівні 4s і 4р насправді складаються з багатьох підрівнів, аргоновий лазер може генерувати на багатьох лініях, серед яких найінтенсивнішими є зелена (514,5 нм) і синя (488 нм). З вимірів спектра спонтанного випромінювання було знайдено, що ширина доплерівська лінії Δυ*0, наприклад зеленого переходу, становить близько 3500 МГц. Це означає, що температура іонів дорівнює Т 3000 К. Іншими словами, іони є дуже гарячими завдяки їх прискоренню в електричному полі розряду. Відносно широка ширина доплерівської лінії також призводить до того, що в режимі синхронізації мод в аргоновому лазері спостерігаються порівняно короткі імпульси (