ЛАЗЕР (LASER, аббревиатура слов англ, фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света в результате вынужденного излучения), устройство, преобразующее различные виды энергии (электрический, световую, химический, тепловую и др.) в энергию когерентного электромагн. излучения. В основе работы ЛАЗЕР лежит процесс вынужденного испускания электромагн. излучения (фотонов) атомами и др. квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях. Так, атом, находящийся в состоянии 2 с энергией W₂, может перейти в состояние 1 с меньшей энергией W_l, испустив при этом фотон с частотой v₂₁=(W₂—W₁)/h, где h-постоянная Планка (рис. 1). Излучат. переход может произойти как самопроизвольно (спонтанное испускание), так и под действием внешний электромагн. излучения (вынужденное, или индуцированное, испускание). При спонтанном испускании частота v фотона может отличаться от v₂₁ в некоторых пределах D v_л, так как в реальной квантовой системе энергетич. уровни не строго дискретны, а занимают некоторые

Рис. 1. Энергетич. уровни квантовой системы, используемой в качестве активной среды лазера. D W₂ и D W₁ - ширины энергетич. состояний W₂ и W₁, обычно определяемые по полуспаду плотности состояний. Показаны переходы, соответствующие поглощению и испусканию фотона hv.

интервалы энергии D W₂ и D W₁. Контур спектральной линии спонтанного излучения описывается плавной кривой S(v, v₂₁) (pис. 2); направление распространения излучения и фаза произвольны.

Рис. 2. Спектральная линия активной среды лазера. S(v, v₂₁) -относит. число спонтанно испущенных фотонов на частоте v»; v₂₁ - резонансная частота, D v_л - полуширина спектральной линии.

При вынужденном испускании фотоны неотличимы от внешний фотонов, воздействующих на систему. В частности, если воздействующее излучение монохроматично (частота v») и имеет определенное направление распространения, индуцир. излучение имеет ту же частоту v» и то же направление распространения. Вероятность вынужденного испускания зависит от частоты v» воздействующего излучения: она пропорциональна фактору S(v», v₂₁) и имеет значение тем большее, чем ближе v» к резонансной частоте v₂₁. Важным является то обстоятельство, что вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности воздействующей волны (плотности фотонов). При обратном переходе 1: 2 происходит поглощение фотона атомом на той же частоте v₁₂, вероятность которого также пропорциональна плотности фотонов воздействующей волны и фактору S(v, v₁₂). Поэтому преобладание вынужденного испускания над поглощением возможно лишь при выполнении условия: N₂/g₂>N₁/g₁, где N₂ и N₁ - населенности состояний 2 и 1 соответственно (числа атомов в единице объема вещества, находящихся на энергетич. уровнях 2 и 1), g₂ и g₁ - статистич. веса этих состояний. При термодинамическое равновесии всегда N₂/g₂<N_l/g_l, поэтому условие N₂/g₂-N₁/g_l>0, называют инверсией населенности, может быть обеспечено лишь в термодинамически неравновесной системе. Этого достигают накачкой - подводом к системе энергии и созданием термодинамически неравновесного распределения частиц по энергетич. уровням системы. В-во, в котором создана инверсия населенности, называют активной средой (активным веществом). В ЛАЗЕР отдельные акты вынужденного испускания превращаются в генерацию когерентного электромагн. излучения благодаря положит. обратной связи, при которой один испущенный фотон многократно вызывает новые акты вынужденного испускания точно таких же фотонов. Первоисточником волны являются спонтанно испущенные фотоны, из которых наиболее число имеют резонансную частоту v₂₁; под их воздействием начинается индуцир. испускание на той же частоте. Постепенно фотоны с частотой v_2l станут доминировать над всеми остальными, т. е. система начнет излучать монохроматич. электромагн. волну. Описанная обратная связь в ЛАЗЕР осуществляется с помощью резонатора. Простейший резонатор для излучения в оптический диапазоне представляет собой два зеркала, между к-рыми помещается активная среда. Одно из зеркал делается частично прозрачным для выхода части излучения, используемого потребителем. Остальное излучение отражается от зеркала и вновь возвращается в активную среду, вызывая новые индуцир. переходы. В результате происходит увеличение интенсивности волны - усиление. Для того чтобы усиление в активной среде скомпенсировало отвод из резонатора части излученной энергии, значение инверсной разности населенностей D N=N₂/g₂-N₁/g_l должно превышать определенное пороговое значение D N_П, которое зависит от длины L активной среды между зеркалами, коэффициент отражения r частично прозрачного зеркала и сечения а резонансного квантового перехода согласно соотношению:
D N_П=(l/s L)lnl/r (1)
Как правило, в пределы D v_П спектральной линии активного вещества может попадать несколько резонансных частот (резонансных мод) резонатора (рис. 3), главные из которых

Рис. 3. Спектральная линия активной среды лазера и моды (резонансные частоты) оптический резонатора.

отделены друг от друга частотным интервалом D v=c/2L, где с - скорость света в активной среде. Поэтому ЛАЗЕР генерирует не одну частоту v₀~v₂₁, а набор частот v_j=v₀+jc/2L (j - целое число), которые определяют спектр лазерного излучения. С отстройкой частоты излучения от резонансного значения уменьшается вероятность индуцир. перехода и возрастает пороговая инверсная населенность.

Рис. 4. Простейшая схема лазера: 1 - активная среда; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - частично прозрачное зеркало, через которое осуществляется вывод генерируемого излучения; 4 - система накачки (здесь - газоразрядные лампы).

Т. обр., ЛАЗЕР, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех компонентов (рис. 4): системы накачки - устройства, поставляющего энергию в ЛАЗЕР для переработки ее в когерентную волну; активной среды, которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентного излучения, и резонатора, осуществляющего обратную связь. ЛАЗЕР может работать и как усилитель когерентного излучения. В этом случае обратная связь не обязательна, волна просто распространяется по активной среде, увеличивая свою мощность (энергию). Размножение фотонов в резонаторе ЛАЗЕР и выход части из них через полупрозрачное зеркало можно рассматривать как разветвленную цепную реакцию рождения фотонов при индуцир. переходах и их адсорбцию на поверхности зеркала Z с коэффициентом (1—r) при каждом столкновении:

где А^* и А - возбужденные частицы в состояниях, между к-рыми происходит квантовый переход, n-число частиц в единице объема резонатора. Если процесс накачки представить как превращаются А в А^* вследствие передачи энергии при столкновении с нек-рыми условными частицами Q:

а релаксацию энергии возбуждения - как гибель возбужденных частиц А^* при столкновении с условными частицами М:

то работу ЛАЗЕР можно описывать кинетическая уравениями как изменение за время t в резонаторе числа фотонов dn/dt и изменение за время t концентраций частиц d[А^*]/dt и d[А]/dt:
dn/dt+k_Zn=Bn([А^*]/g^*-[А]/g); d[А^*]/dt+k_М[М][А^*]-Bn([А^*]/g^*-[А]/g)=k_Q[Q][A]; (6) d[А]/dt-k_М[М][А^*]+Bn(A^*]/g^*-[А]/g)=-k_Q[Q][A],
где g и g^* - статистич. веса соответствующих состояний; B, k_Z, k_Q и k_M - константы скорости процессов (2), (3), (4) и (5) соответственно. Их значения легко связать с сечением s , параметрами резонатора L и r, свойствами активного вещества, способом накачки; тогда уравения (6) выражают основные энергетич. соотношения при генерации ЛАЗЕР когерентного излучения. Они позволяют применять для расчетов методы, разработанные для нелинейных химический процессов (см. Неравновесная химическая кинетика).
Накачка ЛАЗЕР Создание в активном веществе инверсии населенности производится разными способами. Чаще всего используют воздействие на вещество электромагн. излучения (оптический накачка), электрический разряда, пучка электронов с энергией от несколько десятков эВ до МэВ (электронный удар), высокотемпературный нагрев вещества с последующей быстрым охлаждением (тепловая накачка), экзотермодинамически химический реакции в веществе, инжекцию носителей заряда в область р-n - перехода в полупроводнике под действием электрический поля. Рассмотрим некоторые способы накачки. Оптич. накачку осуществляют чаще всего с помощью газоразрядных ламп в импульсном или непрерывном режимах работы. Поскольку их излучение имеет широкий спектр, в качестве активной среды необходимо применять материалы с широкими полосами поглощения. Однако с ростом ширины спектральной линии уменьшается сечение а и потому трудно достичь пороговых значений D N_П, согласно (1). Задачу решают для различные активных сред по-разному. Рассмотрим, например, схему накачки рубинового ЛАЗЕР, в котором для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни иона Сr³⁺, внедренного в решетку корунда a -Аl₂О₃ (рис. 5). В результате поглощения излучения hv₃₁ широкополосной газоразрядной лампы ионы Cr³⁺ переводятся из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3, представляющее собой довольно широкую полосу энергетич. уровней. Затем сравнительно быстро происходит передача части энергии возбуждения решетке кристалла и безызлучат. переход Сr³⁺ в состояние 2, из которого самопроизвольный переход в основное состояние 1

Рис. 5. Принципиальная схема энергетич. уровней рубина. Стрелками вверх указано поглощение энергии накачки hv₃₁, стрелками вниз - безызлучат. переходы. Двойная линия - лазерный переход на частоте v_2l.

происходит сравнительно медленно (время жизни возбужденного состояния t ₂₁~10^-3 с). Инверсия населенности возникнет, если в состоянии 2 окажется более половины всех ионов Сr³⁺ . При концентрации N₂ ионов Сr³⁺ в кристалле порядка 10¹⁹ см^-3 это достигается, если энергия, поглощаемая за 1 с в 1 см³ рубина (удельная мощность накачки), составляет Р_уд=hv_3lN₂t^-1 ₂₁] 10³ Вт/см³. Сечение s перехода 2: 1 в рубине таково, что для генерации когерентного излучения на длине волны 0,69 мкм достаточно выполнения условия: (N₂/g₂-N₁/g₁)~10¹⁷ см^-3 при длине кристалла ~10 см и коэффициенте r ~90%. На практике применяют кристаллы рубина, представляющие собой цилиндрич. стержни длиной 10-30 см и диаметром ~ 1 см. Аналогична схема накачки для ЛАЗЕР на основе стекол и иттрий-алюминиевого граната, активированных Nd, и некоторых др. твердотельных ЛАЗЕР, в которых для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни примесных ионов. Оптич. накачку применяют также в ЛАЗЕР на красителях (жидкие активные среды) и ряде др. Др. схема оптический накачки основана на том, что при поглощении широкополосного спектра излучения происходит фотолиз молекул с появлением радикалов и возбужденных атомов, последние и образуют активную среду ЛАЗЕР Например, при фотолизе молекулы C₃F₇I под действием УФ излучения с длиной волны 200-250 нм возникает возбужденный атом I в состоянии ³Р_1/2
C₃F₇I+hv_уф: С₃Р₇+I(³P_1/2)
При переходе атома I в состояние ³Р_3/2 излучается фотон с длиной волны 1,315 мкм:
I(³P_1/2)+nhv: (n+l)hv+I(³Р_3/2)
Электронный удар применяют в основные для накачки газовых ЛАЗЕР Накачка основана на возбуждении атома при его соударении с электроном, обладающим достаточно большой кинетическая энергией. Например, в He-Ne-Л. происходят следующей процессы (рис. 6):
He(1¹S)+е: Не³+е, He(1¹S)+е: Не⁺+2e,
где l¹S - основные состояние атома Не, а Не^* - одно из его возбужденных состояний. Релаксация энергии возбуждения и рекомбинация ионов с электронами протекают в этой системе таким образом, что возбужденные атомы Не^B скапливаются на метастабильных уровнях 2¹S и 2³S. Инверсная населенность получается при передаче энергии возбуждения от Не к Ne, уровни которого 3S и 2S близки по энергии к 2¹S и 2³S уровням Не:
He(2¹S)+Ne(lS): Не(1¹S)+Ne(3S) He(2³S)+Ne(lS): He(l¹S)+Ne(2S)
Переходы 3S: 3P, 3S: 2P или 2S: 2P в Ne используются для генерации когерентного излучения на длинах волн 3,39, 0,63 или 1,15 мкм соответственно.

Рис. 6. Схема электронных уровней Не и Ne, используемых для нахачкя. Не - Ne - лазера электронным ударом в газовом разряде.

Электронный удар применяют также для накачки СО₂-и СО-лазеров, ЛАЗЕР на парах металлов, эксимерных (точнее, эксиплексных), а также некоторых полупроводниковых ЛАЗЕР Тепловая накачка ЛАЗЕР происходит при быстром охлаждении сильно нагретых газовых смесей. При надлежащем подборе компонентов смеси удается найти такие системы энергетич. уровней частиц, в которых нижележащие уровни "охлаждаются" (опустошаются) быстрее, чем вышележащие. Это приводит к образованию инверсной населенности. Практически наиболее удобный способ охлаждения - сверхзвуковое истечение газов через сопло; наиболее удачные активные среды-смеси N₂-CO₂-He и N₂-CO₂-H₂O. ЛАЗЕР с тепловой накачкой на этих активных средах называют тепловыми газодинамич. ЛАЗЕР О химической накачке см. Лазеры химические. Инжекция носителей тока через p-n-переход - основные способ накачки полупроводниковых ЛАЗЕР Активная среда представляет собой кристалл-полупроводник, состоящий из областей р- и n-типа (рис. 7). Между этими областями возникает контактная разность потенциалов, уравновешивающая потоки носителей из одной части в другую;

Рис. 7. Инжекционный полупроводниковый лазер. Область потенциального барьера (p-n-перехода) заштрихована. (+) и (-) - контакты для приложения напряжения. Лазерное излучение hv направлено перпендикулярно плоскости рисунка (волнистая линия со стрелкой).

электрический ток через контакт равен нулю. Если к образцу приложить электрический напряжение, равное по величине контактной разности потенциалов, возникнут потоки носителей навстречу друг другу и их рекомбинация с испусканием фотонов. Зеркалами оптический резонатора в таком ЛАЗЕР служат хорошо отполированные плоскопараллельные грани самого кристалла. наиболее совершенные инжекционные ЛАЗЕР представляют собой более сложную структуру (гетероструктуру). Важная особенность инжекционных ЛАЗЕР -их миниатюрность; длина активной зоны обычно несколько мм, рабочая часть p-n-перехода имеет размеры в направлении протекания тока ~1 мкм, поперечный размер - обычно 1 мм. Типы ЛАЗЕР и их применение. ЛАЗЕР можно классифицировать по типу активной среды (твердотельные, в том числе полупроводниковые ЛАЗЕР, газовые, ЛАЗЕР на жидких красителях и т.п.), по способу накачки или по др. признакам, однако ни одна из таких классификаций не является однозначной. По совокупности некоторых признаков (тип среды, способ накачки, режим работы, мощность генерируемого излучения и др.) удобно выделить следующей ЛАЗЕР:
1. Твердотельные ЛАЗЕР на стеклах и иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ-Л.), активированных Nd (длина волны генерируемого излучения l =1,06 мкм), рубиновые ЛАЗЕР (l =0,69 мкм). Используют оптический накачку с помощью газоразрядных ламп; возможна работа ЛАЗЕР в импульсном и импульсно-периодической режимах (стекла и рубин; для ИАГ-Л. возможен и непрерывный режим работы). Энергия, генерируемая в режиме одиночных импульсов длительностью до 10^-3 с, может достигать 10³ Дж за импульс с одного стержня стекла, активированного Nd. Уникальные установки на этом материале могут генерировать до 100 кДж за импульс длительностью 10^-9 с. Мощность ИАГ-Л. в непрерывном режиме может достигать сотен Вт.
2. Электроразрядные ЛАЗЕР низкого давления на смесях благородных газов (He-Ne, Не-Хе и др.). Маломощные системы, генерирующие излучение высокой монохроматичности и направленности. наиболее применение получил He-Ne-Л. (l =0,628 и 3,39 мкм).
3. Полу проводниковые ЛАЗЕР Накачка инжекцией носителей тока через р-n-переход или гетеропереход, а также облучением поверхности полупроводника электронным пучком. Возможна и оптический накачка, хотя широкого распространения полупроводниковые ЛАЗЕР с оптический накачкой не получили. Инжекционные ЛАЗЕР миниатюрны, имеют большой кпд, могут работать в импульсном и непрерывном режимах. На основе твердых растворов, например системы Ga|In|Ar|Sb, можно получить излучение в дальнем, среднем и ближнем ИК диапазонах (длина волны от 0,6 до 6 мкм). ЛАЗЕР с электронной накачкой генерируют излучение в ближнем ИК и во всем видимом диапазонах.
4. N₂-CO₂ и N₂-СО-Л. (l =9-11 мкм для СО₂ и 5-6 мкм для СО). Накачка электрический разрядом, практически достижимая мощность излучения в непрерывном режиме - более десятка кВт; возможны также импульсный и импульсно-периодической режимы работы.
5. Ионный аргоновый ЛАЗЕР непрерывного действия (l =488 и 514 мкм). Накачка электрический разрядом, мощностью до несколько десятков Вт.
6. ЛАЗЕР на парах металлов (Сu, Cd, Se, Sn и др.) в смеси с Не. Накачка электрический разрядом. наиболее перспективен медный ЛАЗЕР (l =510нм); режимы работы - импульсно-периодической и непрерывный; мощность излучения - дeсятки Вт.
7. Эксимерные ЛАЗЕР на смеси благородных газов с фтором, хлором, фторидами. Накачка сильноточным электронным пучком или поперечным электрический разрядом. Генерирует излучение в УФ диапазоне, режим работы импульсный.
8. Фотодиссоциационные ЛАЗЕР наиболее распространение получил йодный ЛАЗЕР (l =1,315 мкм), работающий в режиме мощных одиночных импульсов.
9. ЛАЗЕР на жидких красителях; накачка оптическая с помощью газоразрядных ламп или ЛАЗЕР др. типов. Главное преимущество перед др. типами ЛАЗЕР - возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне.
10. Химическая ЛАЗЕР со смесью газов в качестве активной среды. Генерируется излучение широкого спектра в ближнем ИК диапазоне. Основные преимущество - возможность получения непрерывного излучения больших мощностей (сотни кВт) и энергий в импульсе (десятки кДж).
11. Газодинами ч. ЛАЗЕР с тепловой накачкой. Основные рабочая смесь - N₂-CO₂-Не или N₂ - СО₂ - Н₂О; излучающая молекула - колебательно возбужденный СО₂; возможно получение мощностей излучения порядка сотен кВт. Разработаны ЛАЗЕР с излучающими молекулами СО, CS₂, N₂O.
12. ЛАЗЕР на свободный электронах. Перспективная система, широко обсуждаемая в литературе; практически используемых систем в оптический диапазоне пока нет.
13. ЛАЗЕР рентгеновского диапазона. Пока разработаны только лабораторная варианты с генерированием излучения l~ 20 нм.
14. Гамма-лазеры на ядерных переходах пока не осуществлены. Применение ЛАЗЕР чрезвычайно широко и определяется свойствами генерируемого излучения. Так, большая частота (в сравнении с радиодиапазоном) и высокая монохроматичность излучения обеспечивают возможность передачи на большие расстояния по световодам больших объемов информации. Предполагается, что лазерно-волоконная связь станет в ближайшем будущем доминирующей. Используют в основные полупроводниковые ЛАЗЕР На высокой когерентности лазерного излучения основано применение ЛАЗЕР для получения объемных изображений (голография). Большие мощности излучения в непрерывном и импульснопериодической режимах и возможность фокусировки лазерного луча в пятно требуемого размера обусловливают использование ЛАЗЕР для резки и сварки материалов, обработки и закалки поверхности. Используют в основные твердотельные ЛАЗЕР на люминесцирующих средах, газовые ЛАЗЕР высокого давления (N₂-CO₂ и N₂-CO), газодинамич. ЛАЗЕР с тепловой накачкой. Быстро расширяется применение ЛАЗЕР в медицине, главным образом в офтальмологии (для приварки сетчатки глаза и при др. операциях), в хирургии - в качестве скальпеля, что особенно эффективно при операциях на кровенасыщенных органах; для стерилизации ран; для эндоскопии внутр. органов и остановки внутр. кровотечений. Используют в основные ЛАЗЕР рубиновые, аргоновые, на парах меди, иттрий-алюминиевом гранате, N₂-CO₂. В метрологии ЛАЗЕР используют для создания единого оптический стандарта длины - времени. В частности, с помощью спец. образом стабилизированного по частоте He-Ne-Л. удалось на два порядка улучшить точность измерения длины по сравнению с криптоновым эталоном. Применяют ЛАЗЕР для управления химический и биологическое процессами (см. Лазерная химия), для зондирования атмосферы, в вычислит, технике для записи и считывания информации, в быту - в звукои видеовоспроизводящих устройствах высокого качества. Революционизирующее влияние оказало применение ЛАЗЕР в различные областях науки. На принципиально новую основу поставлена спектроскопия (см. Лазерная спектроскопия), появились новые области науки и техники-нелинейная оптика, оптоэлектроника, интегральная оптика. Разрабатываются способы изотопов разделения с использованием ЛАЗЕР на красителях, N₂-СО₂-Л. и ряда других, системы для проведения экспериментов по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС).

Литература: Квантовая электроника, М., 1969 (сер. Маленькая энциклопедия); Справочник по лазерам, иод ред. А.М. Прохорова, пер. с англ., М., 1978; О»Шиа Д., Коллсн Р.. Роде У, Лазерная техника, пер. с англ., М., 1980. А. Н. Ораевский.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей