Оптические квантовые генераторы(лазеры)

  Газовые лазеры. Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее  время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят  даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам  также посвящена большая часть  выполненных исследований. Среди  различных типов газовых лазеров  всегда можно найти такой, который  будет удовлетворять почти любому  требованию, предъявляемому  к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном  режиме. Большие  мощности необходимы  для многих  экспериментов при  изучении нелинейных  оптических  свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые  лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких  признаков уменьшения популярности.                    

  Особенности  газовых  лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных  или  молекулярных  спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и  обычно  не  зависят  от  условий  окружающей  среды. Стабильность длины  волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со  стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При  соответствующем  выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. 

  Нет также  оснований сомневаться, что в  будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность  рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом  преломления, что позволяет применять  простую  математическую теорию  для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой  мощности в  непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.   

  С02-лазер  с замкнутым объемом. Молекулы углекислого  газа, как и другие молекулы, имеют  полосатый спектр, обусловленный  наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает излучение  с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит  в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать  частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO2 передается от молекул азота N2, которые  сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

  Возбужденное  состояние молекулы азота N2 является метастабильным и отстоит от основного  уровня на расстоянии 2318 см -1, что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO2. Ввиду метастабильности возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N2 с CO2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N2 к CO2. Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO2. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

  При работе CO2 - лазера происходит распад молекул CO2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO2-лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

  СО + О ® CO2.

  Используются  платиновые электроды, материал которых  является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется  с дополнительными емкостями, содержащими CO2, N2, Не, которые в необходимом  количестве добавляются в объём  резонатора для поддержания оптимальных  условий работы лазера. Такой закрытый CO2-лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

  Проточный СО2-лазер. Важной модификацией является проточный СО2-лазер, в котором смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

  Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

  Лазерное  излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, имеет длину волны 1,06 мкм.

  Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

  Газодинамические  лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO2 и N2 при истечении  с большой скоростью через  расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

  Лазеры на красителях. Красители являются очень  сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра  располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена  порядка 10-11—10-12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

  Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается  только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала  подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

  Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых  лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО). 

  Принципы  работы МО накопителя.

  МО накопитель построен на совмещении магнитного и  оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

  В процессе записи на МО диск лазерный  луч нагревает определенные точки на диски, и под воздействием температуры сопротивляемость изменения полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается. Полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем, примененным к ней в момент нагрева. 

  В имеющихся  на сегодняшний день МО накопителях  для записи информации применяются  два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую  полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок  и  таким  образом записывает  на  диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

  В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении  плоскости поляризации отраженного  лазерного луча, в зависимости  от направления магнитного поля отражающего  элемента. Отражающим элементом в  данном случае является намагниченная  при записи точка на поверхности  диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.

  Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует  поверхность диска и позволяет  повторную запись без дополнительного  оборудования. Этот способ также имеет  преимущество перед традиционной магнитной  записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой  температуры,  то  вероятность случайного перемагничевания  очень  низкая,  в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

  Область применения МО дисков определяется  его  высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не  дает  возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличие от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что  МО  диски  являются  устройствами  с  произвольным  доступом,  что  позволяет  восстанавливать  только  те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью  хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

  Применение  МО дисков, также целесообразно при  работе с приватной информацией  больших объемов. Легкая сменяемость  дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

  Основные  перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи  данных.  Медленная  скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.