Первый лазер заработал в 1960 г. Это был твердотельный рубиновый
лазер. Активной средой в нем служил рубин. Этому драгоценному камню с
древних времен приписывали сверхъестественные свойства. На Востоке он
служил талисманом, им украшали амулеты. Предсказания древних мудрецов
оправдались. Рубин стал активным элементом принципиально нового
источника излучения.
По своей природе рубин - это красная разновидность корунда АL203.
Часть ионов алюминия в нем замещена ионами хрома Сг 3+, они-то и
окрашивают корунд в красные тона. В зависимости от процентного
содержания хрома рубин принимает все оттенки от розового до
густо-красного. Сейчас научились получать рубины искусственным путем.
Они дешевле, а по своим свойствам не уступают природным кристаллам.
В лазерах используют, в основном, искусственный рубин бледно-розового
цвета. Из него изготовляют стержни диаметром 5...10 мм длиной от 5 до 20
см. Хрома в нем содержится примерно 0,05 %. Ионы хрома играют роль
активных центров в рубине. При освещении рубина мощной импульсной
ксеноновой лампой ионы поглощают зеленый (длина волны 0,55 мкм) и синий
(0,42 мкм) свет, возбуждаются и переходят с основного энергетического
уровня Е1 (рис. 2) на более высокий - Е3. Однако долго на нем не
задерживаются и спускаются на уровень Е2. Этот переход не сопровождается
излучением. Новое воздействие света на рубин приводит к тому, что ионы
хрома покидают уровень Е2 и возвращаются на основной уровень E1. В этот
момент происходит испускание света. Таким образом, рубиновый лазер
работает по трехуровневой энергетической схеме.
Чтобы усилить эффект отдачи энергии ионами хрома и тем самым увеличить
вынужденное излучение, рубин помещают между зеркалами резонатора. Одно
зеркало, непрозрачное, отражает почти 100 % света. Коэффициент отражения
другого зеркала колеблется от 75 до 95 %, сквозь него генерируемый свет
покидает резонатор.
Рис. 2. Энергетические уровни хрома в рубине
Рис. 3. Схемы отражателей: а - эллиптический; б
- цилиндрический; в - двухэллиптический: г - эллиптический с двумя
лампами; 1 - лампа, 2 - стержень. 3 - отражатель
Очень важно, чтобы в процессе работы лазера свет, возбуждающий
активную среду, равномерно освещал рубиновый стержень со всех сторон.
Для этого стержень вместе с лампой заключают в специальный отражатель
(рис. 3), что позволяет наиболее полно использовать энергию светового
потока лампы. Однако далеко не вся энергия, поглощенная рубином,
превращается в излучение. Около половины ее теряется на нагревание
рубинового стержня. Под действием тепла изменяются оптические свойства
рубина, он деформируется, уменьшается частота повторения импульсов
света. Чтобы снизить тепловое воздействие, рубиновые лазеры
охлаждаются потоком воздуха или водой, в некоторых случаях - жидким
азотом.
Рубиновый лазер излучает красный свет двух длин волн - 0,6943 и 0,6929
мкм в виде импульсов. Мощность некоторых лазеров достигает нескольких
мегаватт при длительности импульса 10~12 с. Однако, если освещать рубин
ртутной лампой, удается получать непрерывный свет.
В последние годы рубиновые лазеры стали вытесняться неодиновыми
лазерами, в которых активной средой служит стекло с примесью неодима. В
них стекло, как и корунд, является лишь матрицей, а роль активных
центров отведена ионам неодима Nd3+. Этот дешевый материал сиреневого
цвета легко обрабатывается. Из него можно изготовлять стержни больших
размеров - до двух метров в длину и нескольких сантиметров в диаметре. С
увеличением размеров стержня удается получить мощность генерации,
значительно превосходящую мощность рубиновых лазеров. Сейчас создана
лазерная система, дающая импульсы мощностью более 20 ТВт, ведутся работы
по увеличению мощности до 100 ТВт. Главная трудность заключается в том,
что теплопроводность неодимового стекла существенно меньше, чем рубина.
Это уменьшает КПД лазера и ограничивает частоту следования импульсов
излучения, поэтому лазер тщательно охлаждают. Таким путем удается
довести КПД до 4 %, а в лабораторных условиях - почти до 8 %.
В отличие от рубинового неодимовый лазер работает по четырехуровневой
энергетической схеме (рис. 4). Возбужденные оптической накачкой, ионы
неодима заполняют верхний энергетический уровень Затем они возвращаются
на основной уровень Ей последовательно проходя уровни Ез и Из всех
переходов только один - с уровня Ез на уровень Е2 - сопровождается
испусканием света. При этом генерируется несколько волн, из которых
наиболее интенсивная имеет длину 1,06 мкм.
Лазеры на неодимовом стекле, в основном, импульсные. Однако созданы
неодимовые лазеры, излучающие свет как импульсно, так и непрерывно.
Матричную основу их составляет не стекло, а кристалл иттрийалюминиевый
гранат Y3A15012, в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd 3+.
Принцип работы такого лазера во многом аналогичен лазеру на неодимовом
стекле. В непрерывном режиме мощность таких лазеров не превышает 150 Вт,
а в импульсном она может достигать 50 МВт. При этом длительность
импульсов составляет несколько пикосекунд.
Рис. 4. Диаграмма энергетических уровней неодима
в стекле
Вместо неодима в стекло можно вводить другие примеси, такие как
тербий, гадолиний, гольмий, итербий. Однако, как показывает практика,
мощность излучения таких лазеров значительно меньше, чем у неодимовых.
Полупроводниковые лазеры являются разновидностью твердотельных. Их глав-
ное достоинство - малые размеры и высокий коэффициент полезного
действия. Полупроводниковый лазер, величиной с крупинку соли, может
работать при комнатной температуре почти миллион часов. Естественно, что
при малых размерах и ток он потребляет небольшой - единицы миллиампер
при напряжении 1-2 В. Полупроводниковые лазеры генерируют свет в видимой
и инфракрасной областях спектра.
Как известно, полупроводник - это материал, который занимает
промежуточное место между проводником и диэлектриком. Попытаемся навести
мосты между ними. Вспомним, что вещество состоит из атомов. Внутри атома
находится ядро, вокруг которого по определенным орбитам движутся
электроны. Каждой орбите соответствует свой энергетический уровень. Чем
дальше от ядра движется электрон, тем больше его энергия.
При обычных условиях электрон, движущийся в полупроводниках по внешней
валентной орбите, не может покинуть атом. В этом полупроводники сходны с
диэлектриками. Однако при определенном внешнем воздействии электрон в
полупроводниках может стать свободным, как в проводниках. Разберемся в
механизме этого перехода.
На рис. 5 изображены энергетические зоны электрона. Нижняя зона I --
валентная, в ней электрон' связан с атомом; верхняя III - зона
проводимости. Между зонами I, III находится запрещенная зона II, которая
является барьером для электронов.
Рис. 5. Энергетические уровни полупроводников п-
и р-типов: а - до ионизации примесного атома; б - после ионизации: 1 -
донор; 2е- электрон; 3 - дырка; 4 - акцептор; Е - энергия электрона
Рис. 6. Схема р - п-полу проводника: а - до
рекомбинации электронов и дырок: б - после рекомбинации: 1 -
р-полупроводник: 2 - п-полупроводник: 3 - электрон: 4 - донор: 5 -
дырка; 6 - акцептор; Е - энергия электрона
В металле зона проводимости только частично заполнена электронами, и
в ней есть <вакансии>. В диэлектрике, напротив, зона проводимости пуста,
в то время как нижележащая валентная зона заполнена полностью. От зоны
проводимости ее отделяет широкая запрещенная зона. В полупроводниках
нижняя зона тоже заполнена, однако запрещенная - значительно уже, чем в
диэлектрике, и электроны могут ее преодолеть. Толчком для такого
перехода может служить, например, мощный импульс света или
электрического тока.
В лазерах применяют как чистые полупроводники, так и с примесью других
веществ - мышьяка, сурьмы, индия. В зависимости от вида введенной
примеси получают полупроводники л- или р-типа. В полупроводнике л-типа
примесный атом играет роль донора. Он отдает один из своих электронов в
зону проводимости и становится положительно заряженным. В полупроводнике
р-типа примесный атом, напротив, захватывает электрон из валентной зоны
и оставляет в ней дырку, т. е. он служит акцептором. При этом дырка
ведет себя как положительный заряд, а акцептор становится отрицательно
заряженным. Таким образом в л-полупроводнике накапливается избыток
электронов, а в р-полупроводнике - избыток дырок.
Если соединить р- и <-полупроводники, то на их границе образуется так
называемый активный слой толщиной не более
1 мкм. В этом слое происходят сложные физические процессы. Для понимания
сущности их обратимся к рис. 6. Электроны и дырки устремляются навстречу
друг другу. Часть из них, встретившись, рекомбинирует и исчезает в
активном слое. В момент рекомбинации спонтанно испускаются фотоны
(кванты света). Энергия каждого фотона соизмерима с шириной запрещенной
зоны (рис. 6, а). Однако этой энергии еще недостаточно для того, чтобы
полупроводник стал излучателем света.
С уходом части электронов из л-зоны она становится заряженной
положительно. В то же время р-зона, из-за отсутствия части дырок,
заряжается отрицательно (рис. 6, б). В активном слое появляется
электрическое поле - заслон на пути дальнейшего продвижения электронов и
дырок. Открыть этот заслон можно только с помощью специального ключа.
Таким ключом является внешнее электрическое поле, которое необходимо
приложить к полупроводнику. Оно компенсирует собственное электрическое
поле в активном слое и вызывает лавинообразное перемещение электронов и
дырок навстречу друг другу. Электроны и дырки рекомбинируют и испускают
фотоны.
Проследим, куда уходит энергия фотонов. Освободившиеся фотоны
воздействуют на электроны, находящиеся как в валентной зоне, так и в
зоне проводимости. Фотон, поглощенный электроном валентной зоны,
возбуждает его и заставляет перейти в зону проводимости. В результате в
валентной зоне образуется дырка. Однако состояние электрона в зоне
проводимости неустойчиво. Через короткое время (10 с), без какого-либо
внешнего воздействия, электрон возвращается в валентную зону. Дырка
исчезает и излучается фотон. Происходит так называемое спонтанное
излучение (рис. 7, а). Теперь посмотрим, что произойдет при столкновении
фотона с электроном из зоны проводимости. Он вынуждает электрон перейти
в валентную зону и излучить фотон. В данном случае возникает вынужденное
излучение энергии (рис. 7, б).
Через некоторое время взаимодействие электронов и дырок приведет их в
равновесное состояние. Следующий импульс напряжения вызывает повторение
процесса. Когда число актов вынужденного испускания фотонов превысит
число фотонов, поглощенных атомами, прибор становится лазером. При этом
очень важно, чтобы излучение постоянно усиливалось.
Как на практике решается этот вопрос? Поясним это с помощью рис. 8. Две
грани кристалла, перпендикулярные активному слою, полируют. Образуется
пара полупрозрачных зеркал, которые по существу являются интерферометром
Фабри - Перо. Зеркала возвращают фотоны обратно в активный слой, вызывая
лавинное излучение последних. Между зеркалами выбирают такое расстояние,
чтобы излучаемая световая волна укладывалась между ними целое число раз.
Тогда волны другой длины подавляются. Как только усиление излучаемой
энергии превосходит затухание ее в активном слое, лазер начинает
испускать световой поток.
Рис. 7. Виды излучения: а - спонтанное; б -
вынужденное: 1 - дырка; 2 - электрон: 3 - излученный фотон: 4 -
фотон,поглощенный электроном
При отключении полупроводника от источника электрического тока
прекращается испускание фотонов. Это свидетельствует о том, что
полупроводник испускает импульсы света в ответ на импульсы тока. В этом
смысле он является преобразователем электрических сигналов в оптические.
Длина волны света, излучаемого полупроводниковым лазером, зависит от
выбора материала. Варьируя составом полупроводника, ученые разработали
систему полупроводниковых лазеров, перекрывающих диапазон длин волн от
0,7 до 30 мкм. Наибольшее распространение получили лазеры на арсениде
галлия GaAs, работающие в непрерывном режиме на длине вол1*ы 0,84 мкм.
Их мощность при комнатной температуре 5...10 мВт.
Из разнообразия других полупроводниковых лазеров интерес вызывают лазеры
на основе солей свинца, генерирующие в среднем ИК диапазоне от 4 до 30
мкм. Такие лазеры широко применяются в ИК спектроскопии. Для оптических
линий связи разработаны лазеры, работающие на длинах волн 1,3 и 1,6 мкм.
