Физические основы мощных лазеров

Ушедший ХХ век воспринимается нами не только как век величайших научных открытий, но и как век возникновения новых инженерно-технических областей человеческой деятельности. Одной из таких областей стало создание и широкое использо­вание квантовых приборов, способных генерировать остронаправленное когерентное почти монохроматическое электромагнитное излучение оптического диапазона длин волн. Полное наименование таких приборов звучало так: L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation, что переводится как Усиление Света за счет Вынужден­ного Излучения. Для повседневного пользования название слишком длинное. Поэтому возник его короткий вариант в форме аббревиатуры: LASER. В полном названии присутствуют два ключевые понятия, определяющие физическую основу таких приборов: 1) усиление света и 2) вынужденное излучение.

Создание лазеров прямо связано с проблемой усиления света при его прохождении через специально подготовленную оптическую среду. Задача техники – обеспечить создание сред, способных усиливать проходящий через них световой луч. Научное изучение взаимодействия света с веществом продолжается на протяжении примерно 300 лет, но вплоть до рубежа XIX и XX веков изучение велось на феноменологическом уровне. А на таком уровне известен факт поглощения света, но даже не возникал вопрос о возможности его усиления. Весь опыт науки не такого уж далекого прошлого убеждал ученых, что любая оптическая среда способна только поглощать и рассеивать проходящий через нее свет.

Одним из следствий открытия в начале ХХ века микромира стало понимание природы процессов испускания и поглощения света вещественными частицами – атомами, молекулами и ионами. Для примера ограничимся представлениями об испускании и поглощении света атомами. Атом обладает определенной потенциальной энергией связи электронов с ядром. Он стремится занимать такое состояние, при котором эта потенциальная энергия минимальна. Такое состояние принято называть основным состоянием атома. В среде, содержащей большое количество атомов, протекают процессы их соударений. Большинство таких соударений происходит упруго, потенциальная энергия каждой частицы остается прежней. Реже столкновение протекает неупруго, тогда часть кинетической энергии одного из столкнувшихся атомов передается партнеру, потенциальная энергия которого после этого возрастает. Состояние такого атома называют возбужденным. Однако, в отличие от макромира, в микромире передача атому энергии извне осуществляется только строго определенными дискретными порциями. Атом данного элемента обладает системой дискретных энергетических уровней, присущей только этому элементу. На рис.1 приведена упрощенная схема энергетических уровней атома. Соответственно, передача атому энергии извне происходит такими дискретными порциями, которые обеспечивают рост потенциальной энергии до одного из вышележащих энергетических уровней. В среде, находящейся в равновесном состоянии при температуре Т многочисленные неупругие столкновения приводят к определенному распределению возбужденных атомов по энергетическим уровням, получившего название распределения Больцмана:

n_i ~ n exp (–E_i/kT) (1.1)

Здесь n_i – концентрация возбужденных атомов на i-том квантовом уровне с энергией Е_i, n - общая концентрация атомов, k – постоянная Больцмана. Из этого соотношения видно, что чем выше энергия дискретного квантового уровня, тем меньше на нем концентрация возбужденных атомов, и падение их числа происходит по экспоненциальному закону.

Проходящий через оптическую среду световой луч можно рассматривать как поток фотонов, двигающихся в определенном направлении. На своем пути фотоны сталкиваются с атомами. Такие столкновения следует рассматривать как столкновения двух частиц, происходящие либо упруго, либо неупруго. В случае упругого столкновения происходит рассеяние фотона, направление его движения изменяется. С неупругими столкно­вениями дело обстоит сложнее.

Фотон при неупругом столкновении с определенной вероятностью может передать свою энер­гию атому только целиком, при этом он исчезает. Если через среду проходит монохроматичный луч света, то поглощение фотонов атомами с опреде­ленной вероятностью произойдет лишь при условии, что энергия фотона (h - постоянная Планка, n- частота электромагнитной волны) точно равна той порции энергии, которая соответствует энергетическому переходу атома в данное возбужденное состояние, на присущий ему квантовый уровень. На рис.1 поглощение фотона изображено самой левой стрелкой. В противном случае поглощение не состоится, дело ограничится только рассеянием фотонов на атомах среды. Неупругие столкно­вения фотонов с атомами определяют протекание процесса поглощения света веще­ством. В атоме энергию поглощаемого фотона воспринимает один из внешних электронов.

Атом пребывает в возбужденном состоянии ограниченное время. Его возвращение в основное состояние может происходить в одном из трех процессов: 1) при столкновении с другим атомом (или электроном), сопровождаемым передачей ему энергии возбуждения в форме кинетической энергии движения (безизлучательный переход); 2) путем спонтанного излучения, происходящего случайным образом, когда время между возбуждением атома и испусканием фотона определяется лишь вероятностно. В среде, состоящей из большого количества возбужденных атомов, спонтанное девозбуждение сопровождается излучением фотонов разных энергий (частот), вылетающих в разных направлениях и по фазе независимо друг от друга. В качестве примера на рис.1 представлены два возможных варианта спонтанного излучения. Вторая слева стрелка изображает излучение фотона атомом, возбужденным до состояния с энергией E_n, путем перехода электрона с верхнего возбужденного уровня сразу в основное состояние с энергией Е₀. Уносящий энергию возбуждения фотон имеет ту же частоту, что и поглощенный фотон, но направление его движения, поляризация и фаза совсем иные, чем у поглощенного фотона. Кроме того, девозбуждение может протекать ступенчато (каскадно), как показано правой группой стрелок. Например, первоначально происходит переход электрона между верхним возбужденным уровнем и вторым уровнем схемы, тогда испускается фотон с энергией (частотой), определяемой разностью E_ф1 = h = Е_n – E₂. Затем может произойти повторный акт спонтанного излучения, определяемый переходом электрона со второго на первый энергетический уровень: Е_ф2 = h = E₂ – E₁. Еще один, третий переход, отмечает возможность безизлучательного возвращения атома в основное состояние, если возбуждение снимается соударением атома с частицей, которой передается вся остаточная энергия возбуждения в форме изменения кинетической энергии движения этой частицы. Понятно, что в каждом конкретном случае варианты переходов могут быть различными.

3) Кроме спонтанного существует еще один вид излучения, получивший название вынужденного излучения. Этот вид излучения был теоретически предсказан А.Эйнштейном в 1916 году и вскоре после этого получил экспериментальное подтверждение. Открытие вынужденного излучения послужило сигналом, показавшим принципиальную возможность усиления света, проходящего через оптическую среду. Если в непосредственной близости от возбужденного атома пролетает фотон, энергия (и частота) которого точно соответствует энергии перехода из возбужденного состояния в энергетически более низкое состояние, то существует вероятность того, что такой фотон заставит атом испустить квант света той же энергии (частоты) и в том же направлении, что и у фотона-инициатора. Более того, испущенный фотон будет иметь ту же поляризацию и ту же фазу, иначе говоря, это будет точный близнец первичного фотона. Говорят, что такие фотоны когерентны. В результате каждого акта вынужденного излучения число фотонов в монохроматическом луче увеличива­ется, таким образом, вынужденное излучение способно усиливать свет. Однако, в земных условиях никому не удавалось наблюдать увеличение интенсивности света на выходе оптической среды по сравнению с его интенсивностью на входе. Какова причина, ведь существование вынужденного излучения подтверждено эксперимен­тально?

Дело в том, что оптические среды, в которых имеются атомы, находящиеся в возбужденном состоянии, обычно характеризуются квазиравновесностью, при которой распределение возбужденных атомов по энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана (1). В такой ситуации господствуют процессы спонтанного девозбуждения атомов, что означает господство процессов уменьшения числа фотонов в проходя­щем луче. Вынужденное излучение создает лишь небольшую поправку к таким процессам. Для того, чтобы в среде господствовало вынужденное излучение, необходимо выполнение трех условий. Во-первых, в среде должно присутствовать большое количество возбужденных атомов. Во-вторых, основная масса возбужденных атомов должна занимать определенный верхний энергетический уровень, обладающий относительно большим временем жизни. В-третьих, должен существовать хотя бы один нижележащий уровень с очень коротким временем жизни, который находится в почти свободном состоянии и на который разрешен излучательный переход с верхнего заполненного уровня. Эти условия означают сильное отличие от больцмановского распределения, крайне неравновесное состояние оптической среды, получившее название инверсной населенности. Естественным путем в земных условиях такое состояние оптической среды не возникает. Но, как выяснилось, инверсную населенность можно создать искусственно, путем выбора составляющих оптическую среду элементов и направленным введением в нее энергетического потока (накачка среды).

В тридцатых годах ХХ века проблемой усиления света занялся известный физик Валентин Александрович Фабрикант. К 1948 году он вместе со своей аспиранткой Ф.А. Бутаевой создал газоразрядную установку, на которой впервые в мире осуществлено усиление проходящего через оптическую среду монохроматического светового луча. До создания лазера, способного генерировать монохроматичный узконаправленный когерентный луч, оставалось совсем немногое – создать положительную обратную оптическую связь, превращающую усилитель в генератор. Сделать такой шаг в оптическом диапазоне длин волн удалось в 1960 году Теодору Мэйману, поместившему в оптический резонатор (между двумя плоскопараллельными зеркалами) стержень из синтетического рубина, ставшего активной средой первого твердотельного лазера. Накачка рубина осуществлялась мощным импульсным световым потоком, создаваемым импульсными газоразрядными лампами. Затем появился первый газовый He-Ne лазер, а в 1964 году Кумар Н. Пател получил генерацию от первого молекулярного СО₂ лазера. Далее началось бурное развитие подобных квантовых приборов, и, что особенно важно, немедленное их использование в различных научных, технических и медицинских приложениях. Типы создаваемых лазеров отличаются агрегатным состоянием активной среды, способом накачки, режимами работы, выходными характеристиками оптического луча. Физические основы лазеров подробно рассматриваются, например, в [1,2]. Создававшиеся в начальный период лазеры обладали сравнительно небольшими энергетическими и мощностными характеристиками. Возникла серьезная проблема повышения энергетики некоторых таких лазеров, что позволило бы использовать их для так называемой «силовой» обработки материалов – резания, сварки, обработки поверхностей и т.д. Этой проблеме и посвящена данная книга.

1.2. КАК ПОНИМАТЬ ТЕРМИН «МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ»

Термин «мощные лазеры» имеет однозначный смысл, когда речь идет о лазерах, работаю­щих в режиме непрерывной генерации. В этом случае повышение мощности сопровожда­ется повышением энергии излучения, выделяемой в единицу времени, и, соответственно, повышением активности процесса взаимодействия лазер­ного излучения с веществом. Поэтому можно условиться о проведении некоей границы мощно­сти, превышение которой отнести к категории мощного излучения. Например, таким рубежом можно назвать мощность излучения в 1 кВт, а можно предложить считать рубежом мощность в 100 Вт. Выбор условной границы, отделяю­щей «мощные» лазеры от «немощных», определяется конкретными задачами применения лазе­ров, когда необходимо превысить опреде­ленные пороговые уровни термических и иных воз­действий лазерного излучения на материалы.

Но этот же термин приобретает неопределенный смысл, когда лазер генерирует излучение в импульсном или частотно-импульсном (его также называют импульсно-периодическим) режимах. Одиночный импульс характеризуется несколькими значениями мощности. Во-первых, существует мгновенное значение мощности (мгновен­ная мощность): при общей длительности импульса t_и в любой момент времени t_i в интервале 0< t_i £ t_и выделяется малый временной интервал Dt_i, в котором можно пренебречь изменением величины мощности.

Мощность, выделяющуюся в этом временном интервале, и называют мгновенным значением для момента времени t_i. Если все мгновенные значения мощности на протяжении импульса соединить плавной кривой, как это сделано на графике рис.1.2, то эта кривая даст представление о форме импульса мощ­ности лазера. Именно такую кривую мы увидим на экране осциллографа, на вход которого

подается сигнал от регистратора мощности с высоким временным разрешением. На графике мгновенная мощность обозначена символом P_t.

Далее, в момент времени t_max достигается мак­симальная за импульс мгновенная мощность P_max. Ее называют пиковой мощностью. Площадь, ограниченная осью времени и кривой мощности пропорциональна энергии лазерного импульса Е. Разделив энергию на длительность импульса t, получим среднее за импульс значение мощ­ности: Р_ср = Е/t. Ее называют средней мощностью. При одном и том же значе­нии энергии в импульсе средняя мощность зависит от длительности импульса. Например, лазер генерирует малую энергию в импульсе, порядка 0,1 Дж. При миллисекундной длительности импульса (это характерная длительность генерации неодимового лазера, 10^-3 – 10^-2 с) средняя мощность со­ставит 10 – 100 Вт. В микросекундном диапазоне (СО₂ лазер, 10^-6 – 10^-5 с) она достигнет 10⁵ – 10⁴ Вт. В наносекундном диапазоне (модуляция добротности у твердотельного лазера 10^-9 – 10^-7 с) это будет гигантская мощность 10⁸ – 10⁶ Вт и окажется еще более высокой у лазеров, генери­рующих импульсы в пикосекундном (10^-12 – 10^-10 с) диапазоне – от 10¹¹ до 10⁹ Вт. И все это при той же незначительной энергии в импульсе.

Из приведенных оценок видно, что энергетически маломощный лазер с очень коротким им­пульсом обладает фантастически высокой мощностью. Но нас в дальнейшем будут интересо­вать лазеры, способные эффективно воздействовать на материалы, а такие лазеры должны об­ладать достаточно высокой энергией в импульсе. В этом случае высокий уровень мощности сам по себе не является привлекательным. Поэтому условимся считать мощными лазерами те из них, которые наряду с высокой средней мощностью обладают и высокими значениями энергии в импульсе.

При рассмотрении частотно-импульсного режима работы лазера, к характеристикам отдель­ного импульса добавляется еще одна мощностная характеристика – средняя мощность последо­вательности импульсов. Это эквивалент энергетического потенциала лазера, но при условии, что дополнительно сообщаются данные об энергии в каждом импульсе, а также данные о дли­тельности и частоте следования импульсов (или о скважности).

Итак, термин «мощный лазер» мы сохраним в его оговоренном выше значении, под ним бу­дем понимать только те лазеры, которые генерируют мощное высокоэнергетичное излучение.

Дата добавления: 2015-10-16