книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров

ослабляется атмосферой, потому что соответст­ вует окну прозрачности атмосферы. Поэтому применение таких лазеров особенно перспек­ тивно для целей связи.

Основные преимущества газовых лазеров— непрерывный и стабильный режимы работы, небольшая угловая и спектральная ширина излучения, высокая степень когерентности. Основной их недостаток (не считая лазеров на СОг)—это сравнительно малая мощность и низкий коэффициент полезного действия.

Полупроводниковые лазеры. Создание кван­ товых генераторов на полупроводниках не только расширило круг веществ, пригодных для генерации света, но и открыло новые воз­ можности получения активной среды, управ­ ления частотой и интенсивностью генерируе­ мого излучения.

Впервые на возможность использования полупроводников в лазерах указали в 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул и Ю. М. Попов. В 1962 г. ленинградские физики во главе с Д. Н. Наследовым зафиксировали создание инверсной населенности в полупро­ водниковых диодах из арсенида галлия. К кон­ цу 1967 г. была получена генерация на 24 по­ лупроводниковых кристаллах.

Активная среда в полупроводниках может быть создана различными путями: при оптиче­ ском возбуждении, с помощью пучка электро­ нов и при пропускании электрического тока через ц-п-переход диода (см. рис. на стр. 37).

В отличие от атомов и ионов полупровод­ ники характеризуются не узкими энергетиче­ скими уровнями, а широкими зонами. Все

36

нижние зоны заполнены электронами. Послед­ няя из заполненных зон называется валент­ ной, выше нее расположена зона прово­ димости. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. Если электро­ ну, находящемуся в валентной зоне, сообщить

Схема полупроводникового лазера

энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, то он переходит в зону проводимости. Образовавшаяся на его месте вакансия назы­ вается дыркой. Она ведет себя в электриче­ ском поле так же, как и электрон, но с поло­ жительным зарядом.

Электрон и дырка, находясь в одной точке кристалла, соединяются, или рекомбинируют. При этом либо испускается квант света, либо избыточная энергия передается кристалличе­ ской решетке. Получение активной среды в полупроводниках сводится к одновременному созданию высокой концентрации электронов и дырок в некотором объеме кристалла.

В качестве источников для оптической на­

37

ние проникают в глубь кристалла, сталкива­ ются с атомами и порождают электронно-ды­ рочные пары. Чем больше энергия электронов, тем больше глубина проникновения. Однако, чтобы не разрушать кристалл, ограничива­ ются энергиями примерно в 200—500 кило- электрон-вольт.

Высокий коэффициент усиления в полупро­ водниках позволяет создать лазеры в виде излучающих зеркал значительной площади. Серебряное зеркало покрывается полупровод­ никовой пленкой, на которую наносится про­ светляющее покрытие. Преимущество такой системы связано с возможностью быстрого от­ вода тепла от тонкой пленки, большой мощ­ ностью излучения и малым углом расходи­ мости луча.

Остановимся более подробно на лазерных диодах, перспективных для практического при­ менения.

Полупроводниковый диод представляет со­ бой кристаллическую пластинку толщиной около 0,1 мм и площадью в несколько квадрат­ ных миллиметров (см. рис. на стр. 37). С обеих сторон к пластинке припаяны электрические контакты. Сама пластинка неоднородна и со­ стоит из двух частей, обладающих благодаря наличию примесей электронной (/г-область) и дырочной (/э-область) проводимостью. Гра­ ница раздела между двумя областями и на­ зывается р-л-переходом. Толщина области перехода ничтожна — тысячные доли мил­ лиметра, но именно она играет роль ак­ тивной среды, в пей генерируется излу­ чение.

38

Если к диоду приложить электрическое напряжение, то электроны и дырки устремятся друг к другу и будут соединяться, или, как го­ ворят, рекомбинировать, а освобождающаяся при этом энергия выделится в виде квантов света. Сделав параллельными две грани кри­ сталла, перпендикулярные границе между об­ ластями (путем скалывания или шлифовки), можно при достаточно высокой плотности то­ ка получить генерацию. Первые диоды из арсенида галлия генерировали в импульсном режиме только при высоких плотностях тока (до 8000 а!см2) и низких температурах на дли­ не волны 0,85 мкм. Спектральная ширина гене­ рируемого излучения имеет порядок несколь­ ких гигагерц, а расходимость луча, наибольшая в плоскости, перпендикулярной к плоскости пе­ рехода, и составляет 4°. В последнее время по­ лучена импульсная генерация при комнатной температуре и непрерывная — при более низ­ ких температурах. Однако большая расходи­ мость луча по-прежнему остается одним из серьезных недостатков этих систем. В то же время полупроводниковые генераторы обла­ дают рядом важных преимуществ по сравне­ нию с лазерами других типов.

Во-первых, диоды — единственные прибо­ ры, в которых происходит прямое преобразо­ вание электрической энергии в генерируемое излучение без промежуточных процессов на­ качки. Практически при каждой рекомбина­ ции электрона и дырки возникает квант света. Коэффициент полезного действия диодов по­ этому чрезвычайно высок и теоретически мо­ жет приблизиться к 70%.

39

Во-вторых, генерацию диодов легко моду­ лировать переменным током с частотой в не­ сколько тысяч мегагерц, что открывает широ­ кие возможности их практического приме­ нения.

В-третьих, полупроводниковые лазеры ми­ ниатюрны, просты и могут служить в течение длительного времени.

Наконец, с помощью механических, элек­ трических или магнитных воздействий, а так­ же путем изменения процентного содержания различных компонентов кристалла можно варьировать частоты генерируемого излучения в весьма широких пределах. Например, изме­ нение состава в системе арсенид индия—фос­ фид индия приводит к изменению длины волны генерируемого света от 0,9 до 3,2 мкм. Правда, легкая изменяемость частоты генерации в ря­ де случаев может оказаться отрицательным свойством, так как требует принятия спе­ циальных мер для стабилизации длины волны генерируемого излучения.

Генерация удвоенной частоты. Можно ли с помощью одного луча света как-то повлиять на распространение другого луча? Мы при­ выкли к тому, что лучи света распространя­ ются в веществе, не оказывая влияния друг на друга, а оптические свойства вещества не зави­ сят от интенсивности проходящего через него излучения.

Взаимодействие света с веществом дает возможность лишь выявить, но не изменить та­ кие характеристики вещества, как показатель преломления и поглощения. Количество погло­ щенного и рассеянного света, а также яркость

40

фотолюминесценции обычно изменяются прямо пропорционально интенсивности возбуждаю­ щего (падающего) света.

Однако из электродинамики, как классиче­

ближении, которое справедливо при неболь­ ших мощностях излучения.

Лазеры дают световые пучки такой высо­ кой мощности, при которой показатели пре­ ломления и поглощения начинают зависеть не только от свойств самого вещества, как это имеет место в линейной оптике, но и от интен­ сивности света. Кроме того, если мощные све­ товые лазерные пучки попадают в одно и то

частот, т. е. другого цвета. При распростране­ нии световых пучков высокой мощности обна­ руживается ряд новых явлений, так называе­ мых «нелинейных оптических эффектов».

Вопросу взаимодействия мощных световых потоков с веществом большое внимание уде­ лял С. И. Вавилов, который и ввел термин «нелинейная оптика». Еще в довоенные годы С. И. Вавилов подчеркивал, что нелинейные явления имеют место не только внутри звезд при колоссальных плотностях световой энер­ гии, но и в лабораторных условиях. Совместно с В. Л. Левшиным ему впервые удалось наблюдать незначительное уменьшение коэф­ фициента поглощения урановых стекол, облу­ чаемых светом конденсированной искры.

41

В дальнейшем оказалось, что такое «просвет­ ление» вещества можно получить и при не­ большой интенсивности света. Для этого необ­ ходимо лишь выбирать вещества, у которых имеются устойчивые возбужденные состояния.

С появлением лазеров круг нелинейных эффектов резко расширился, а нелинейная оптика выделилась в самостоятельную бурно развивающуюся отрасль науки.

В 1962 г. П. Франкен (США) направил сфокусированный луч рубинового лазера на пластинку из кристаллического кварца. Лазер работал в импульсном режиме при продолжи­ тельности импульса 0,001 сек и энергии 3 дж. При этом было обнаружено, что из пластинки выходит не только красный свет рубинового генератора с длиной волны К=0,6943 мкм, но и ультрафиолетовое излучение с длиной вол­ ны в два раза меньшей К = 0,3471 мкм. Таким образом, под действием мощного потока света в кварцевом кристалле происходило удвоение частоты электромагнитной волны (см. цвет­ ную вклейку I).

Позднее удвоение частоты было получено

ина дигидрофосфатах калия КН2Р 0 4 и аммо­ ния МН4Н2Р 0 4, называемых сокращенно кри­ сталлами КЭР и АОР. В другом опыте на пластинку фокусировали лучи от двух руби­ новых лазеров, работающих при разных тем­ пературах, вследствие чего генерируемые дли­ ны волн отличались на 0,001 мкм. На выходе они получили не только удвоенные частоты, но

иизлучение с частотой, равной сумме частот, генерируемых двумя лазерами. С помощью

рубинового п неодимового ОКГ, работающих

42

сутствующее в линейной оптике, получило название смешение света.

Характерно, что при удвоении частоты и смешении света получаемое излучение новых длин волн так же когерентно, как и излучение лазеров. Следовательно, нелинейные эффекты дают возможность значительно расширить на­ бор частот когерентного света и продвинуться в сторону ультрафиолетового и рентгеновского излучения без создания активной среды для частот, соответствующих этим областям спектра.

Явление удвоения и многократного увели­ чения частоты, обнаруженное впоследствии и на других веществах, было детально исследо­ вано учеными Московского университета Р. В. Хохловым и С. В. Ахмановым. Они обосновали возможность использования этого явления в сочетании с вынужденным комбина­ ционным рассеянием для получения набора частот когерентного излучения в широком спектральном интервале и создали так назы­ ваемый параметрический генератор с пере­ страиваемой частотой.

В первых опытах излучение с удвоенной частотой составляло одну миллиардную долю процента от энергии падающего света. Потом оказалось, что в дигидрофосфате калия и ряде других кристаллов коэффициент преобразо­ вания частоты на много порядков больше и достигает 20—30%• Эффективность удвоения частоты определяется не только материалом

43

пластинки, но и зависит от ориентации кри­ сталла по отношению к направлению распро­ странения падающего луча. Сотрудники Ин­ ститута физики Академии наук БССР Б. В. Бокуть и Н. Г. Хаткевич нашли такую ориен­ тацию кристалла КБР, при которой эффектив­ ность преобразования света наибольшая.

Мы не имеем возможности остановиться здесь на всех нелинейных эффектах. Упомянем лишь в заключение о самофокусировке луча— явлении, которое до создания лазеров не на­ блюдалось.

Обычно диаметр расходящегося пучка всегда увеличивается по мере распростране­ ния его в однородной среде. Оказалось, что мощные расходящиеся лазерные пучки при распространении в некоторых однородных средах могут не расширяться, а, наоборот, сжиматься. Происходит это потому, что ве­ щество, которое при обычно применяемых плотностях света оптически однородно, под действием мощного лазерного излучения ста­ новится неоднородным. Показатели преломле­ ния в центре луча и на периферии оказыва­ ются различными. Свет распространяется та­ ким образом, как будто на его пути находится не однородное вещество, а система линз. В ре­ зультате этого происходит так называемая самоканализация луча, когда свет распростра­ няется вдоль узкого канала (см. рис. на стр. 45).

Новые источники света. Сравним теперь параметры и характеристики излучения лазе­ ров с излучением привычных нам тепловых источников света. В таких источниках атомы

44

Самоканализация лазерного луча. Штрихами пока­ заны границы луча при отсутствии нелинейных эффектов

и молекулы испускают свет во все стороны и в широком спектральном интервале независимо друг от друга. Излучение отдельных точек теп­ ловых источников не связано между собой, не­ согласованно, как говорят физики, некоге­ рентно. Оптические квантовые генераторы, на­ оборот, дают остронаправленное излучение с высокой степенью когерентности. Последнее означает, что излучение, испущенное различ­ ными точками оптического квантового генера­ тора в разные моменты времени, связано меж­

ду собой.

Как уже отмечалось, угол расхождения излучения генераторов на твердом теле со­ ставляет минуты, а газовых лазеров — доли минуты. Чтобы получить от тепловых источ­ ников света узкие и направленные пучки, используют сложные системы линз и зеркал—

45