Глава 2. Физические основы работы лазера

(По материалам [4])

Вынужденноеизлучение, являющеесяпроцессомусилениясветатехническиреализуетсявзависимостиотгенерируемойдлинывлнысветаввиделазера (LASER – LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation – усилениесветапутемвынужденногоизлучения) иливвидемазера (MASER – MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation – микроволновоеусилениепутемвынужденногоизлучения) иливвидегразера (GRASER – Gamma-RayAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation – усилениегамма-лучейпутемвынужденногоизлучения).

Конструкция лазера

Процесс лазерного излучения

Процесс вынужденного испускания является основой лазерного усиления. Чтобы использовать этот процесс, необходимо электрон, например, в атоме (ионе, молекуле, твердом теле) перевести с более низкого на более высокий энергетический уровень. Чтобы практически реализовать процесс лазерного усиления, указанное состояние необходимо обеспечить не только у отдельного атома. Но и у целого ансамбля атомов. Число атомов, занимающих более высокий верхний лазерный уровень должно быть всегда больше заселенности низкого лазерного уровня. Это явление называют инверсией населенности. Какие существуют возможности получения такой инверсии населенности? Нагревание не подходит, так как по закону излучения Планка (рис. 12) высокие уровни всегда заселены меньше, чем низкие. Облучение светом (оптическая накачка) системы только с двумя энергетическими уровнями даже при значительной интенсивности накачки дает одинаковую населенность обоих уровней. Причина заключается в том, что большая интенсивность облучения кроме поглощения, т.е. заселение верхнего энергетического уровня, приводит также ко многим эмиссиям, т.е. к снижению населенности верхнего уровня. Таким образом, с помощью оптической накачки в двухуровневой системе нельзя произвести инверсию населенности. По-другому дело обстоит в системах с тремя и большим числом уровней.

 

Рис. 12. По закону излучения Планка при нагревании отношение n₂/n₁ чисел населенности стремится только к 1. Инверсии населенности достичь нельзя.

Облучение светом (оптическая накачка) системы только с двумя энергетическими уровнями даже при значительной интенсивности накачки дает одинаковую населенность обоих уровней. Причина заключается в том, что большая интенсивность облучения кроме поглощения, т.е. заселение верхнего энергетического уровня, приводит также ко многим эмиссиям, т.е. к снижению населенности верхнего уровня. Таким образом, с помощью оптической накачки в двухуровневой системе нельзя произвести инверсию населенности.

Лазер с тремя уровнями. Если в системе с тремя энергетическими уровнями (рис. 13) производится накачка с уровня 1 на уровень 3, то при спонтанной эмиссии, т.е. распаде верхнего уровня, может быть населен уровень 2. Если это долгоживущий уровень, то со временем величина его населенности увеличивается. При очень большой накачке населенность этого второго уровня может быть, по крайней мере на короткое время, выше, чем населенность нижнего лазерного уровня (основное состояние).

 

Рис. 13. В трехуровневой лазерной системе при очень интенсивной накачке с уровня 1 на уровень 3 можно получить на уровне 2 более высокую населенность, чем на уровне 1.

Однако, когда лазер начнет работать, инверсия населенности быстро уменьшится. Мощность накачки тогда оказывается недостаточной, чтобы постоянно поддерживать инверсию населенности, так что лазеры с тремя уровнями практически всегда являются импульсными лазерами.

Лазер с четырьмя уровнями. Если систему с тремя уровнями расширить на еще один уровень 2’ между уровнем 1 и уровнем 2 (рис. 14), то можно избежать проблем трехуровнего лазера в отношении короткой по времени инверсии населенности, при условии, что уровень 2’ является очень короткоживущим. Если лазерный переход осуществляется с уровня 2 на уровень 2’, то уровень 2’ при работе лазера ввидуего короткого существванияпостянноопустшается на основной уровень. В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно пстянносхранять инверсию населенности между уровнями 2 и 2’. Лазеры с 4-мя уровнями могут поэтомуработать в непрерывном режиме (cw – continuouswave).

 

Рис. 14. В лазерной системе с 4-мя уровнями можно обеспечить даже при слабой накачке инверсию населенности на долгоживущем уровне 2 п отношению к короткоживущему уровню 2’.

Следует обратить внимание на то, чтобы при всех механизмах возбуждения изменения заселенности отдельных уровней происходили по кругу, т.е. заканчивались на основном уровне, что позволяет вступить в новый цикл накачки. Во многих случаях этот цикл накачки заканчивается, по крайней мере, частично, на так называемых «метастабильных триплетных уровнях» (рис. 15). Они практические не распадаются на основное состояние, так что атомы со временем полностью накачиваются в эти метастабильные состояния и впоследствии не могут использоваться в цикле лазерной накачки, таким образом, лазерная генерация прекращается. Эту проблему можно частично обойти, если лазерную среду постоянно менять, например, посредством прокачки. Другая возможность – это добавление так называемого буферного газа. Продолжительность существования метастабильного уровня в этом случае сокращается из-за столкновений атомов или молекул, участвующих в лазерной генерации, с атомами или молекулами буферного газа.

 

Рис. 15. Если нижний лазерный уровень частично опустошается на метастабильный триплетный уровень, то через некоторое время генерация лазерного излучения прекращается.

Лазерные активные среды

В качестве лазерной среды могут применяться все материалы, у которых можно обеспечить инверсию населенности. Это возможно у следующих материалов:

а) свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;

б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;

в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;

г) легированные полупроводники;

д) свободные электроны.

Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов очень велико. В одном только элементе неоне наблюдается около 200 различных лазерных переходов. По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В качестве курьеза следует отметить, что человеческое дыхание, состоящее из двуокиси углерода, азота и водяных паров, является подходящей активной средой для слабого СО₂-лазера, а некоторые сорта джина генерировали уже лазерное излучение, поскольку они содержат достаточное количество хинина с голубой флуоресценцией.

Известны линии лазерной генерации от ультрафиолетовой области спектра (100 нм) до миллиметровых длин волн в дальнем ИК-диапазоне. Лазеры плавно переходят в мазеры. Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн (рис. 16).. Но практическое значение приобрели только два-три десятка типов лазера. Наиболее широкое медицинское применение сейчас нашли СО₂-лазеры, лазеры на ионах аргона и криптона, Nd:YAG-лазеры непрерывного и импульсного режима, лазеры на красителях непрерывного и импульсного режима, He-Ne-лазеры и GaAs-лазеры. Эксимерные лазеры, Nd:YAG-лазеры с удвоение частоты, Er:YAG-лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.

Рис. 16. Типы лазеров, наиболее часто применяемые в медицине.

Кроме того, лазерные активные среды можно различать по тому, формируют ли они дискретные лазерные лини, т.е. только в очень узком определенном интервале длин волн, или излучают непрерывно в широкой области длин волн. Свободные атомы и ионы имеют из-за их четко определенных энергетических уровней дискретные лазерные линии. Многие твердотельные лазеры излучают также на дискретных линиях (рубиновые лазеры, Nd:YAG-лазеры). Были разработаны, однако, также твердотельные лазеры (лазеры на центрах окраски, лазеры на александрите, на алмазе), длины волн излучения у которых непрерывно могут изменяться в большой спектральной области. Это касается в особенности лазеров на красителях, в которых эта техника прогрессировала в наибольшей степени. Лазеры на полупроводниках ввиду зонной структуры энергетических уровней полупроводников также не имеют дискретных четких лазерных линий генерации.

Механизм возбуждения

Как уже было упомянуто, генерация лазерного излучения может быть достигнута, если имеется инверсия населенности двух энергетических уровней. Чтобы получить эту инверсию населенности, в лазерную среду должна быть введена энергия в соответствующей форме. Этого можно добиться различным образом, независимо от специфического лазерного процесса. Тем не менее, тот или иной метод возбуждения следует выбирать и оптимизировать специально для соответствующего типа лазера. Основные методы возбуждения – это возбуждение очень интенсивным светом, так называемая «оптическая накачка», и возбуждение электрическим газовым разрядом. В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется непосредственно электрическим током. Для возбуждения могут быть использованы также химические реакции.

Оптическая накачка

Если лазерную среду облучают интенсивным светом, то благодаря поглощению могут быть населены более высокие энергетические уровни. Этот процесс называют «оптической накачкой». В качестве источников света в большинстве случаев применяются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. Так как лампы-вспышки излучают в широком спектральном диапазоне, то лазерные среды со многими уровнями возбуждения или даже полосами возбуждения особенно подходят для оптической накачки, ибо накачка выполняется только длинами волн, которые точно соответствуют разнице энергии между двумя уровнями. Так как для стимуляции лазерного перехода используется только часть энергии возбуждения, то длина генерируемой лазерной волны всегда больше, чем длина волны возбуждения.

Рис. 16. Пример коллинеарной накачки лазера другим лазером (лазером накачки). Длина волны генерации всегда больше, чем длина волны накачки, благодаря чему луч накачки и лазерный луч могут быть разделены дисперсионной призмой.

 

Лазерное излучение

Лазерное излучение характеризуется тремя важными признаками (рис. 18).

1. Излучение является когерентным, т.е. все цуги волн являются синфазными, как во времени, так и в пространстве.

2. Излучение является сильно коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу. На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре.

3. Лазерное излучение является монохроматическим, т.е. все цуги волн имеют одинаковую длину волны, частоту и энергию.

а. когерентность

 

б. коллимированность

в. монохроматичность

Рис. 18. Графическое представление когерентности, коллимированности и монохроматичности.

Кроме того, с помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность излучения. Все эти признаки по отдельности можно обеспечить также и другими источниками света, но лазер является единственным источником света, которому присущи все три упомянутых признака одновременно. При описании лазерного пучка наряду с особенностями когерентности,коллимированности и монохроматичности важно отметить распределение интенсивности в пучке. Далее важно знать влияния оптических элементов, например, линз или зеркал на форму пучка. Так как лазерный пучок является отображением лазерного излучения в лазерном резонаторе, то распределение интенсивности поперечных электромагнитных мод (ТЕМ) резонатора обнаруживается вновь в лазерном пучке. Резонатор, работающий в основной моде (ТЕМ₀₀), излучает также лазерный пучок с основной модой ТЕМ₀₀ и т.д. Лазерный пучок имеет в этом случае в каждом месте профиль интенсивности по типу гауссовой колоколообразной кривой. Чтобы при таком распределении интенсивности можно было говорить о диаметре пучка, в качестве диаметра определяют значение, при котором интенсивность лазерного излучения снизилась в е²≈7,39 раз (рис. 19).

Рис. 19. В качестве диаметра (d) лазерного луча в основной моде принимается удвоенное расстояние от оси луча, на котором интенсивность падает в е²≈7,39 раз.

При высоких модах – ТЕМ_ln сформулировать четко определение диаметра уже нельзя, но можно исходить из того, что более высокая мода ТЕМ_lnимеет размеры больше приблизительно в или раз, если она генерирована таким же резонатором (рис. 20).

Рис. 20. Схематическое изображение распределения интенсивности поперечных мод, если не задано определенное преимущественное направление в резонаторе.

Если в лазерный пучок поместить линзу, то законы геометрической оптики дают только приблизительно правильные, а, зачастую, ложные результаты при описании хода пучка за линзой. И здесь нужно вернуться к теории изображения гауссовых пучков или к более сложным теориям многомодовых лазерных пучков. Важнейшее отличие при формировании изображений гауссовых пучков от геометрической оптики состоит в том, что перетяжка пучка на расстоянии d₀перед линзой отображается в виде новой перетяжки пучка на расстоянии fза линзой с диаметром d=4λf/pd₀. В противоположность этому при использовании геометрической оптики получается симметричное изображение 2fна 2f, и размер изображения не меняется (рис. 21).

Рис. 21. Формирование изображений в приближении геометрической оптики и в случае гауссова пучка.

Диаметр перетяжки пучка d за линзой проще определить через угол расходимости луча q (рис. 22). В этом случае выполняется соотношение: d=2qf. Для гауссова пучка значение q может быть рассчитано следующим образом:

q=2λ/pd_0.

Мощность излучения непрерывных медицинских лазеров составляет от 0,01 до 100 Вт. Если мощность лазера сконцентрировать в фокусе линзы, то в этом месте можно получить значительную плотность мощности.

 

Рис. 22.Упрощенно диаметр перетяжки пучка при фокусировке через линзу с фокусным расстоянии f может быть определен на основе фокусного расстояния и угла расходимости 2q перед линзой.

Плотность мощности и время воздействия являются основными параметрами лазерного пучка, определяющими его влияние на биоткань. Плотность мощности определяется как отношение мощности лазерного излучения к поперечному сечению пучка. Соотношение между такими понятиями как мощность лазера, плотность мощности, плоскость фокусировки, диаметр фокуса и фокусное расстояниелинзы должны быть обязательно понятны для каждого, кто пользуется лазером, чтобы избежать его неправильного применения. На рис. 23 еще раз графически показано соотношение между плотностью мощности лазерного луча и фокусным расстоянием линзы.

Рис. 23. Соотношение между плотностью мощности и величиной фокуса.