15691_laser06

Источники оптического
когерентного излучения для
информационных систем I
Общий обзор лазерных
систем
Laser... inter eximia naturae dona
numeratum plurimis compositionibus
inseritur
... Лазер—один из чудеснейших
даров природы, имеющий множество
применений
Плиний Старший, «Естественная
история», XXII, 49
(1 в. н. э.)
...
Light Amplification Stimulated Emission of Radiation
Усиление света вынужденным испусканием излучения
Доход от продаж лазеров в
период 2000 – 2004 г.
Диодные Не диодные
Всего
Данные фирмы
Strategies Unlimited,
Laser Focus // 2004
No.1
A. Einstein. Zur Quantentheorie der Strahlung.//
Phys.Z., 18 (1917) 121
История создания лазеров
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1900 – М. Планк (квант)
1916 – А. Эйнштейн (вынужденное излучение)
1924 – Ш. Бозе, А. Эйнштейн (статистика фотонов)
1927 – П.А.М. Дирак (квантовая теория)
1939 – В.А. Фабрикант (усиление в газах)
1951 – Ч. Таунс, А. Шавлов (мазер)
1954 – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (генерация)
1960 – Т. Мейман (рубин), Е. Снитцер (Nd:glass)
1961 – А. Джаван (He-Ne)
1962 – Р. Холл (GaAs)
1968 – Ж.И. Алферов (гетероструктуры)
1. Н.Г. Басов, А.М. Прохоров. Применение молекулярных пучков для
радиоспектроскопичес-кого изучения вращательных спектров
молекул. // ЖЭТФ, 27 (1954) 431.
2. J.P. Gordon, H. J. Zeiger and C. H. Townes. The maser A-type of
microwave amplifier, frequency standard, and spectrometer.// Phys. Rev.,
95 (1954) 282.
3. A.L. Schawlow, C.H. Townes. Infrared and optical masers.// Phys.
Rev.,112 (1958) 1940.
4. T.H.Maiman Stimulated optical radiation in ruby masers. // Nature, I
(1960) 674.
5. A. Javan, W.B.J. Bennett, D.R. Herriott. Population inversion and
continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He-Ne
mixures.// Phys. Rev. Letts, 6 (1961)106.
6. R.N. Hall, G.E. Fenner, J.D. Kingsley, T.J. Soltys, R.O. Carlson.
Coherent light emission from GaAs junctions.// Phys. Rev. Letts, 9
(1962)366.
7. Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной, Д.Н.
Третьяков. // Когерентное излучение в эпитаксиальных структурах с
гетеропереходами в системе AlAs-GaAs.// ФТП 2 (1968) 1545
Н.Г. Басов
Ч.Таунс
А.М. Прохоров
Основу лазерной физики составляют три фундаментальных
положения:
— энергия электромагнитного излучения состоит из дискретных
порций энергии, называемых световыми квантами или фотонами.
Эта дискретность проявляется прежде всего при взаимодействии
излучения с веществом, когда фотоны поглощаются или
излучаются;
— излучение фотонов при достаточно высокой интенсивности
потока определяется эффектом их индуцированного испускания.
При этом кванты индуцирующего и индуцируемого излучений
тождественны, а вероятность испускания пропорциональна
интенсивности излучения;
— кванты электромагнитного излучения подчиняются статистике
Бозе — Эйнштейна. Поэтому число квантов, которые могут
приходиться на одну моду поля, неограниченно. При заполнении
одной моды большим числом неразличимых квантов формируется
классическая когерентная электромагнитная волна.
В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями
энергии,
существуют
три
типа
переходов
между
энергетическими состояниями: переходы, индуцированные
электромагнитным
полем,
спонтанные
переходы
и
безызлучательные
релаксационные
переходы.
Свойства
вынужденного (индуцированного) излучения определяют
когерентность излучения и его усиление или поглощение.
Спонтанное излучение обусловливает наличие шумов, служит
затравочным толчком в процессе усиления и возбуждения
колебаний.
Вероятность индуцированных переходов отлична от нуля только
для внешнего поля резонансной частоты, энергия кванта
которого h совпадает с разностью энергий двух
рассматриваемых изолированных состояний (двух уровней с
энергиями Е2 и Е1) и пропорциональна плотности энергии
внешнего поля в единичном спектральном интервале
(спектральной объемной плотности энергии) (), [Дж/см3Гц]
ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы - состояние, при
котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее
устойчива благодаря тому, что ее внутренняя энергия минимальна.
Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при
увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу
квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на
один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном
состоянии квантовая система может только поглощать излучение,
переходя в возбужденное состояние.
E2 N2
2
h
Падающий
фотон
1
E1 N1
Скорость перехода 1 -> 2 и вероятность
поглощения W12 связаны уравнением:
dN1/dt = - W12N1
где N1 – число атомов в единице объема, которые
находятся на уровне 1. Можно записать
W12 = B12()
Где – () спектральная плотность энергии в
падающей волне, а B12 – коэффициент
Эйнштейна, сечение поглощения.
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение, обусловленное
спонтанными переходами, происходящими в атомах, молекулах, ионах и в
других квантовых системах, находящихся в возбужденном состоянии.
Спонтанные переходы происходят самопроизвольно, случайно во времени,
аналогично радиоактивному распаду. Спонтанное излучение не зависит от
воздействия на квантовую систему внешнего электромагнитного излучения, и
его закономерности определяются исключительно свойствами самой системы.
Момент спонтанного перехода принципиально не может быть предсказан, и
потому можно говорить лишь о вероятности такого перехода.
E2
2
(dN2/dt)сп = - A21 N2 , где А – вероятность
перехода – коэффициент Эйнштейна.
h = E2 - E1
Спонтанный
фотон
E1
1
Случайность спонтанных переходов приводит к тому,
что различные атомы (квантовые системы) излучают
независимо и несинхронно.
Поэтому спонтанное излучение ненаправленно,
некогерентно, неполяризованно и немонохроматично.
Система может переходить в состояние 1 и
безизлучательно, при этом разность энергий может
выделится в виде кинетической энергии.
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение, испускаемое
квантовой системой, находящейся в возбужденном, т.е. неравновесном состоянии,
под действием внешнего электромагнитного излучения. При вынужденном
излучении частота, фаза, поляризация и направление распространения
испущенной электромагнитной волны полностью совпадают с соответствующими
характеристиками волны вынуждающей. Поэтому вынужденное излучение
полностью когерентно с вынуждающим излучением. Акт вынужденного
излучения является обратным акту поглощения; вероятности процессов
вынужденного излучения и поглощения равны.
E2 N2
h
Скорость перехода 2->1 за счет
вынужденного и излучения

(dN2/dt)вын = - W21 N2
h = E2 - E1

вероятность вынужденного перехода
W21 = B21()
где B21 – сечение вынужденного излучения.
E1 N1
ВЫВОД КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭЙНШТЕЙНА
Пусть все
(Формула Планка)
А. Эйнштейн показал, что вероятности вынужденного излучения и
поглощения равны друг другу, или равны сечения вынужденного излучения
и поглощения.
Вероятность спонтанного излучения пропорциональна коэффициенту
Эйнштейна для индуцированного вынужденного излучения A21~ B21
Усиление (поглощение) излучения
F = () – плотность
потока фотонов
N1 – населенность нижнего уровня
N2 – населенность верхнего уровня
B12 = B21 =
излучения
 сечение вынужденного
N2 – N1 < 0 поглощение
N2 – N1 > 0 усиление
Принципы лазерной генерации
l
Обратная связь
R2
R1
Критическая инверсия
Условие генерации в резонаторе Фабри-Перо (потери только на зеркалах)
R1 R2 exp[ 2 ( N 2 - N1 )l ] = 1
Три условия лазерной генерации:
- активная среда с инверсной заселенностью
- обратная связь
- превышение усиления над потерями
Лазерная генерация начнется тогда, когда усиление активной среды компенсирует
потери в нем, усиление излучения за один проход в активной среде (т. е.
отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно
ехр[(N2 –N1)l], где l — длина активной среды.
Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог
генерации будет достигнут при выполнении условия
R1R2 exp [2 (N2 — N1)l] = 1, где R1 и R2 — коэффициенты отражения зеркал по
интенсивности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда
инверсия населенностей приближается к критической.
Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из
спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются
вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе
лазерного генератора, называемого обычно просто лазером.
Балансные (скоростные) уравнения
двухуровневой системы
- насыщающая плотность фотонов
Трехуровневая схема накачки
Условие инверсной заселенности
в 3-х уровневой схеме
4-х уровневая схема лазерной генерации
Формирование продольных мод резонатора
Пространственные (поперечные) моды резонатора
Гауссов лазерный пучок
Когерентность лазерных пучков
Измерения когерентности
Голографический метод
исследования когерентности
а) Схема записи исходной голограммы (1,2 –
исследуемые пучки, С - реперная сетка). б) Схема
восстановления голограммы и измерения
распределений интенсивности (1/ и 2/) в плоскости
изображения.
 =4
I12  I 21
I11  I 22
Связь тонкой структуры спектров с
пространственной когерентностью
излучения
Схема эксперимента по исследованию взаимосвязи
пространственной когерентности и спектра
Наблюдение квантово-флуктационных
пространственно-временных мод ВКР
D = 8 мм NF = 100 р = 20 атм tp = 10 нс N = 3
Изображения пространственно-временных стохастических мод
стоксового излучения ВКР (а, в) и интерферограмма Фабри-Перо,
зарегистрированная на голограмме (б).
Лазер на кристаллах рубина,
активированных хромом
Методы создания
инверсной заселенности/ активная среда
СВЧ излучение (метан)
Оптическая накачка (рубин, неодим, красители и др.)
Электрический разряд (He-Ne, Ar, Kr, CO2, “и др.)
Инжекция носителей (полупроводники)
Электронный пучок (практически все среды)
Газодинамика (CO2 и др. газы)
Химическое возбуждение (HF, HCl, HBr и др.)
Фотодиссоциация (CF3I + h  I* + CF3)
~ 14000 шт.
~ 14000 шт.
Общее число – 120 000 шт.
~ 12000 шт.
~ 60000 шт.
Данные фирмы
Strategies Unlimited,
Laser Focus // 2004
No.1
Данные фирмы
Strategies Unlimited,
Laser Focus // 2004
No.1
He-Ne лазер
Активная среда
А.С. - раствор органического красителя
При возбуждении:
• Излучение на более
длинных волнах
• Флуоресценция
1 – спектр поглощения, 2 – спектр
флуоресценции
Устройство лазера
1 – излучение накачки
2 – поворотное зеркало
3 – отражатель
4 – поток красителя
5 – вспомогательное
зеркало
6 – селектор
7 – плоское выходное зеркало
Перестройка частоты
излучения
Осуществляется с помощью:
• призменных устройств,
• клиновых фильтров,
• двоякопреломлящих фильтров,
Преимущества лазеров на
красителях
1. Плавная перестройка частоты излучения в
значительном спектральном диапазоне.
2. Высокий коэффициент усиления сигнала
(требуется лишь небольшой объем активной
среды).
3. Недорогая и мало подверженная
изменениям активная среда.
4. Менее громоздки, проще в эксплуатации (по
сравнению с газовыми системами).
Четырехуровневый лазер
Свойства лазерных кристаллических сред
для диодной накачки
C
r
y
s
t
a
l W
a
v
e
l
e
n
g
t
h
G
a
i
n
c
r
o
s
sL
i
f
e
t
i
m
e P
e
a
k
(
n
m
)
s
e
c
t
i
o
n
b
s
o
r
p
t
i
o
n
(
s
) a

(
1
0
1
9
c
m
2
)
(
c
m
1
)
Y
A
G 1
0
6
5
3
.
3
2
4
0
1
0
1
0
4
7
1
.
9
2
.
3 4
8
0
5
2
0 1
1
Y
L
F
(
)

1
0
5
3


1


Y
L
F
(
)

0
6
4
9
.
8
1
5
.
6
9
7
4
0
Y
V
O
4
(
) 1

C
r
y
s
t
a
l
T
h
e
r
m
a
l E
x
p
a
n
s
i
o
n
T
h
e
r
m
a
l d
n
/
d
T
L
e
n
s
i
n
g
c
o
n
d
u
c
t
i
v
i
t
yc
o
e
f
f
.
s
h
o
c
k(
1
0
6
)
(
W
/
m
K
)
(
1
0
6
) (
W
/
m
)
Y
A
G
1
3
6
.
7 1
4
5
0 +
7
.
3m
o
d
e
r
a
t
e
5
.
8
(
c
)
8
(
c
)
4
.
3
(
e
) w
Y
L
F
2
4
0e
a
k
7
.
2
(
a
)
1
3
(
a
)
2
.
0
(
o
)
7
.
3
(
a
)
2
.
9
(
e
) s
Y
V
O
4
5
.
2
? +
t
r
o
n
g
?
?
(
c
)
+
8
.
5
(
o
)
Структура лазерного модуля
с диодной накачкой
Diode laser
Cylinder lens
Laser
beam
Pump
beam
Diode laser
Nd:YLF Laser
crystal
Оптическая схема лазера
с диодной накачкой
Gain module
Nd:YLF slab
AO
Q-switch
Diode Laser bar
Выходные характеристики
лазера с диодной накачкой
1.50
Output Power (W)
1.25
tangential plane
12
M² = 1.1
1.00
9
sagittal plane
0.75
6
0.50
3
0.25
0
0
5
10
15
20
25
30
Incident Pump Power (W)
35
0
40
1/e2 Mode Diameter (mm)
15
Внешний вид лазера MPS-1047
Лазерный модуль с Nd:YVO4
Collimated 20 W
Laser Diode Bars
HR
HR
Nd:YVO4 Slab
16
14
Output Power (W)
12
10
1064 nm MM
8
1064 nm TEMoo
1342 nm TEMoo
6
4
2
0
0
10
20
30
40
Pump Power (W)
1064 nm, >15 W multimode, >13 W TEM00, 46.3% slope, 35.0% optical and
13%electrical efficiency.
1342 nm, >6 W TEM00, 26% slope, 15% optical and 6% electrical efficiency.
Лазерная система
задающий генератор – многопроходовый усилитель
19W @ 5kHz
25W CW
29W @ 5kHz
37W CW
M 2 = 1.07 (H), 1.1 (V)
2nd Stage
Amplifier
Nd:YLF Oscillator
1st Stage
Amplifier
Gain module
Nd:YLF slab
AO
Q-switch
Faraday
Isolator
Diode Laser bar
11.5W @ 5kHz
13.5W CW
National Ignition Facility (192 laser beams)
Lawrence Livermore National Laboratory. Livermore, CA
Образцы лазерных стёкол, использовавшихся в различных
системах для лазерного термоядерного синтеза
Внутри 10-метровой мишенной камеры
Пульт управления и контроля
ЛИТЕРАТУРА
1. О. Звелто. Принципы лазеров. М. Мир. 1984
2. Н.В. Карлов. Лекции по квантовой электронике.
М. Наука. 1983
3. А. Ярив. Введение в оптическую электронику. М.
Высшая школа. 1983.
4. Оптоинформатика. Часть 1. Учебнометодическое пособие.
Контрольные вопросы.
1. Расшифровка слова «лазер».
2. Два сектора рынка лазеров, какого типа лазеров больше всего.
3. Кто внес наибольший вклад в становление лазерной физики.
4. Три фундаментальных положения лазерной физики.
5. Три типа переходов между энергетическими состояниями, общая
характеристика.
6. Основное состояние квантовой системы, поглощение из основного состояния.
7. Спонтанное излучение в квантовой системе.
8. Вынужденное излучение, основные свойства.
9. Вывод соотношений между коэффициентами Эйнштейна, их физический
смысл.
10. Усиление (поглощение) излучения в квантовой системе.
11. Три условия лазерной генерации, критическая инверсия, условие генерации в
резонаторе Фабри-Перо (потери только на зеркалах).
12. Трех- и четырехуровневая схемы накачки и лазерной генерации.
13. Методы создания инверсной заселенности. Типы активных сред.
14. Сколько недиодных лазеров выпускается в мире, основные типы, области
применения..
15. Схема возбуждения гелия и неона в электрическом разряде.
16. Упрощенная схема уровней в неодимовых лазерах.
17. Оптическая схема лазера с диодной накачкой.