Тема: Лазеры с резонаторами и без оных

[diant]

Друзья, помогите уразуметь.
Есть лазеры, для которых резонатор и весьма качественный просто необходим - иначе не заведутся.
А есть и такие, которым зеркала вообще не нужны, типа азотного. Эти стреляют с одного прохода луча.

Конечно между этими двумя полюсами есть целая шкала градаций. Но не суть... мне хочется понять принцип. От чего зависит, к какому полюсу тяготеет тот или иной лазер?

Скажем, есть ощущение, что лазеры у которых верхний рабочий уровень не метастабилен, тяготеют ко второму типу (которым резонатор почти не нужен, если вообще нужен). Верная мысль? Или есть еще какие-то свойства рабочих сред, которые определяют необходимость качественного резонатора.

Попутный вопрос про азотный лазер, раз уж он упомянут.
Верно ли понимаю, что его излучение происходит не в режиме сверхизлучения Дике? То есть по сути это все таки лазерное излучение, а никак не импульс сверхизлучения?

[avrerum]

Друзья, помогите уразуметь.
Есть лазеры, для которых резонатор и весьма качественный просто необходим - иначе не заведутся.
А есть и такие, которым зеркала вообще не нужны, типа азотного. Эти стреляют с одного прохода луча.

Конечно между этими двумя полюсами есть целая шкала градаций. Но не суть... мне хочется понять принцип. От чего зависит, к какому полюсу тяготеет тот или иной лазер?

Скажем, есть ощущение, что лазеры у которых верхний рабочий уровень не метастабилен, тяготеют ко второму типу (которым резонатор почти не нужен, если вообще нужен). Верная мысль? Или есть еще какие-то свойства рабочих сред, которые определяют необходимость качественного резонатора.

Попутный вопрос про азотный лазер, раз уж он упомянут.
Верно ли понимаю, что его излучение происходит не в режиме сверхизлучения Дике? То есть по сути это все таки лазерное излучение, а никак не импульс сверхизлучения?

Резонатор или кол-во проходов лучей зависит прямо от коэф.усиления активной среды!!!Впервые слышу сверхизлучение как понятие если честно,в азотном лазерное излучение!

[diant]

Можно чуть подробнее. Я так понимаю, что в активной среде любого лазера, после ее накачки и перехода в состояние с инверсной населенностью рабочих уровней, коэффициент усиления (А) положителен. Правильно ли я понимаю, что при фиксированной геометрии резонатора, качество и юстировка зеркал должны быть тем выше, чем меньше этот коэффициент А?

Тогда возникают два следующих вопроса.
1. С какого значения А зеркала можно вообще выбросить и лазер все равно заведется?
2. При фиксированном А, верно ли, что удлинняя полость резонатора L, можно в конце концов достичь такого значения L, что и такой лазер сгенерит без зеркал?

Про сверхизлучение (СИ). Вещество может излучать в трех режимах: спонтанный и два когерентных режима (лазерный и СИ). На земле два из них легко осуществимы и давно используются (спонтанный и лазерный). СИ - пока удел лабораторий, поэтому мало известен.

[Gall]

Здесь все достаточно просто, если понять главный принцип.

Для лазерной генерации необходимо, чтобы свет, проходя сквозь среду, усиливался. Вообще-то в средах свет поглощается, но при наличии достаточного количества возбужденных атомов возможно усиление. Проходя один сантиметр, свет встречает столько-то возбужденных атомов. Если их достаточно много, фотон сможет породить новые фотоны, устроить "цепную реакцию". Если нет - фотон поглотится прежде, чем произойдет что-то интересное.

Большинство веществ, из которых делают лазеры, очень прозрачны. Смесь гелия и неона, например. Проходя через такую среду, фотон скорее всего не столкнется ни с одним атомом, ни с возбужденным, ни с каким-либо другим. То есть он не поглотится и не усилится, а просто пройдет без толку. Усиление тем не менее возможно, если путь фотона очень велик; рано или поздно он столкнется с атомом, и этот атом наверняка окажется возбужденным, ведь накачка работает. Чтобы это произошло, мы добавляем зеркала. Фотон будет ходить между ними до тех пор, пока наконец не встретит нужный атом. Или - если не повезет - пока не поглотится в зеркале или не улетит в сторону. Отсюда имеем очевидный критерий генерации лазера: вероятность столкновения фотона с возбужденным атомом должна быть выше, чем вероятность поглощения или выхода этого фотона за пределы рабочего тела.

В некоторых веществах, например в сильно накачанных красителях или в азоте после электрического разряда, возбужденных атомов так много, что фотон уже через миллиметры или сантиметры почти наверняка встречается с одним из них. Про такие вещества говорят, что у них "большое усиление". В этом случае никакие зеркала не нужны. Если при этом в веществе достаточно фотонов, образовавшихся случайно, получится сверхизлучение или подобная ему лазерная генерация. Если таких фотонов недостаточно, например если объем вещества невелик, генерации не будет, но будет усиление приходящего извне света. Такая штука может добавлять мощности имеющемуся маломощному лазеру той же длины волны - так называемая схема "генератор-усилитель", по-английски "MOPA".

Если кусок вещества большого усиления имеет неправильную форму, говорят о сверхизлучении. Иное дело, если вещество имеет вид длинного стержня, как, например, газ в азотном лазере. В этом случае подавляющее большинство фотонов будет иметь одного и того же прародителя, и излучение будет довольно когерентным. Происходит селекция мод - устранение нежелательных фотонов, в данном случае за счет геометрии рабочего тела.

Четкой границы между сверхизлучением и лазерной генерацией нету. Она проводится условно в зависимости от степени селекции мод. Если селекция мод удовлетворительная (длинный стержень), хорошая (резонатор) или очень хорошая (резонатор с дополнительными фильтрами), говорят о лазерном излучении. Если селекция мод почти или совсем отсутствует, говорят о сверхизлучении. Надо сказать, что у азотного лазера селекция мод весьма плохая, когерентность очень небольшая, поэтому его используют почти исключительно для накачки других лазеров. По традиции считается, что эта "весьма плохая" селекция мод тем не менее достаточна, чтобы называть излучение "лазерным". Но любой практик, пытавшийся фокусировать азотный лазер, может поспорить с этим.

Очевидно, что в силу конечности скорости света необходимо, чтобы инверсия заселенностей сохранялась все время, пока фотоны гуляют по резонатору. В непрерывном лазере это не проблема, там инверсия постоянно поддерживается. Иное дело - импульсный (нестационарный) лазер. Если импульс накачки короткий, рабочее тело копит энергию на возбужденном уровне, и время жизни этого уровня должно быть достаточно велико. Инверсия заселенностей будет жить ровно столько, сколько живет возбужденный уровень. (Импульсный лазер с длинным - порядка 1 мс - импульсом следует относить не к импульсным, а к непрерывным, точнее к стационарным, ибо он работает до тех пор, пока поступает накачка). Время жизни возбужденного состояния у разных веществ разное, и у некоторых (азот) оно очень короткое. Настолько короткое, что это состояние не принято называть "метастабильным". Этого времени не хватает, чтобы фотон прошел через резонатор несколько раз, поэтому зеркала ничем помочь не могут. В тех случаях (азот, неон), когда вещество с малым временем жизни уровня способно дать высокое усиление, удается сделать лазер без зеркал.

В большинстве высококачественных лазеров применяют вещества с небольшим усилением. Часто - специально разбавленные (бледно-розовый рубин, или Nd:YAG всего лишь с 1% Nd, слабые растворы органических красителей, CO2 разбавляют гелием и т.д.), чтобы искусственно уменьшить усиление. Это нужно для того, чтобы обеспечить достаточно длинный путь луча и хорошую селекцию мод. Чем выше требования к лазеру, тем меньше усиление на один проход через рабочее тело, чтобы в выходном излучении не появлялась примесь усиленных помех.

[Gall]

Как посчитать:

1. Берем сечение взаимодействия возбужденного атома.
2. Берем концентрацию атомов в рабочем теле.
3. Считаем из этого вероятность усиления фотона на единицу длины пути, или, что то же самое, коэффициент усиления на единицу длины.
4. Считаем наименьшую длину пути фотона, при которой усиление превышает поглощение. Если она больше размеров рабочего тела - нужны зеркала. Если она больше любого возможного пути фотона в резонаторе (в силу непараллельности зеркал, например) - генерация невозможна вообще.

Из этих соображений достаточно очевидно выписываются точные формулы. Если неохота думать, готовый ответ есть в учебнике Звелто.

[Gall]

Кстати, сверхизлучение - не такой уж удел лабораторий. Некоторые светодиоды на нем делаются для повышения КПД. А любой, кто пытался сделать лазер на красителях, знает, как легко "перекачать" концентрированный раствор красителей и получить паразитное СИ во все стороны вместо аккуратного лазерного луча. Если сильно не повезет, то может быть и паразитное лазерное излучение - в роли резонатора выступают стенки сосуда. Чтобы это получилось, достаточно слишком сильно сфокусировать азотник или эксимер на слишком концентрированном растворе красителя. Я сам наблюдал это несколько раз, и примерно в половине случаев - не специально.

[diant]

Gall, спасибо за развернутый ответ. Почерпнул в нем для себя много полезных мыслей. У меня еще будут к вам по нему вопросы, но чуть позже - надо немного подумать над написанным.

А пока коротко один вопрос. Вы не путаете сверхлюминесценцию и прочие сверх... с настоящим когерентным СИ Дике? Вопрос для меня не праздный и я честно говоря с большим интересом прочитал бы какую-нибудь статью о светодиодах на СИ, о которых вы говорите.

[Gall]

Строго говоря, настоящего СИ Дике (коллективного спонтанного излучения) в том смысле, в котором оно описано в работе Dicke R.H., Phys. Rev. 1954, v. 93, p.99, в подобных системах и не бывает. Для него необходимо наличие какого-то дальнодействия внутри самой системы, иного, нежели просто распространение фотонов. Такие эффекты достигаются в полупроводниковых структурах и, кстати, являются основой современных полупроводниковых лазеров. Ближайший родственник - это РОС, и вообще не очень понятно, где проходит граница между РОС и Дике; возможно, это даже один и тот же эффект с разных сторон.

Обычное СИ - "amplified spontanous emission" - это и есть эффект, на котором могут работать газовые лазеры. Ни о каком Дике там речь даже близко не идет, там может быть только усиление спонтанного излучения. Азотный лазер - тоже.

Что конкретно используется в светодиодах, где и как - выяснить не удается. Ясно, что речь идет о светодиодах с высоким КПД (осветительных, с преобразованием излучения люминофором в белое). Есть куча патентов, в которых упоминаются разнообразные эффекты. Вот там, кстати, Дике вполне может быть. Идея понятна, она на поверхности: раз у полупроводникового лазера КПД выше, чем у обычного светодиода, значит, надо сделать светодиод из лазера, можно без резонатора. Плохая доступность информации тут связана с коммерческой тайной, на светодиодном освещении сейчас большие деньги делаются.

[diant]

Gall, поразмышлял над вашими словами и появились новые мысли.

> Чтобы это произошло, мы добавляем зеркала.
> Фотон будет ходить между ними до тех пор,
> пока наконец не встретит нужный атом.
Интересно, а каковы при этом требования на параллельность зеркал резонатора Фабри-Перо? Ведь от этого зависит, как долго этот фотон сможет туда-сюда отражаться. Просто для примера назовите какие-нибудь цифры из реальных лазеров. Например «в He-Ne лазере зеркала юстируют с точностью до хх arcsec…» и т.п.

> Отсюда имеем очевидный критерий генерации лазера:
> вероятность столкновения фотона с возбужденным атомом
> должна быть выше, чем вероятность поглощения или выхода
> этого фотона за пределы рабочего тела.
Если не ошибаюсь, отсюда следует, что даже при положительном коэффициенте усиления среды (А>0) еще не следует, что лазер начнет работать, - потери на зеркалах, например, могут подавить генерацию. (Наверное это банальность, но я с лазерами почти незнаком, потому такие вопросы.)

> В некоторых веществах, например в сильно накачанных красителях…
…
> В этом случае никакие зеркала не нужны.
То есть лазеры на красителях - второй пример активной среды, которая (помимо азота) может «завестись» без резонатора? Тогда сразу интересно, лазеры на красителях работают по какой схеме - 3-уровневой или 4-уровневой? И как у них обстоит дело с рабочим возбужденным уровнем - он метастабилен или нет? Какое там обычно время жизни?

> Четкой границы между сверхизлучением и лазерной генерацией нету.
Наверное тут правильнее сказать - «между сверхлюминесценцией и лазерной генерацией»?

> Время жизни возбужденного состояния у разных веществ разное,
> и у некоторых (азот) оно очень короткое. Настолько короткое,
> что это состояние не принято называть "метастабильным".
Правильно ли я понимаю, что рабочий переход в азоте (C3?u?B3?g) имеет только один запрет – по четности? И он кажется слаборазрешенный?

> Этого времени не хватает, чтобы фотон прошел через резонатор
> несколько раз, поэтому зеркала ничем помочь не могут.
А разве азоту времени не хватит? У него среднее время жизни на верхнем рабочем уровне около 40 нс. За это время фотон может успеть пролететь 12 метров и много раз в резонаторе отразиться. Или же возбужденный азот при атмосферном давлении еще быстрее релаксирует за счет неупругих столкновений?

> В большинстве высококачественных лазеров применяют вещества
> с небольшим усилением.
…
> Это нужно для того, чтобы обеспечить достаточно длинный путь луча
> и хорошую селекцию мод.
А как возникает селекция мод при большим количеством проходов луча по резонатору? Почему соседняя мода, отстоящая, скажем, всего на каких-то 300 МГц от основной (в полуметровом резонаторе He-Ne лазера) при большом количестве проходов луча туда-сюда уже не возбуждается?

> Как посчитать:
…
> 3. Считаем … коэффициент усиления на единицу длины.
> 4. Считаем наименьшую длину пути фотона, при которой
> усиление превышает поглощение. Если она больше размеров
> рабочего тела - нужны зеркала.
Gall, вот это место самое непонятное. Я так понимаю, если коэффициент усиления (A) больше нуля, то усиление имеет место и при 1 мм и при 1 см и при 1 км – нет разницы. Грубо говоря, интенсивность луча I(L) после прохождения пути L равна:
I(L) = I0 * exp (A*L)
Отсюда следует, что при A>0 интенсивность I(L)>I0 при любых значения пути L.

[Gall]

Интересно, а каковы при этом требования на параллельность зеркал резонатора Фабри-Перо? Ведь от этого зависит, как долго этот фотон сможет туда-сюда отражаться. Просто для примера назовите какие-нибудь цифры из реальных лазеров. Например «в He-Ne лазере зеркала юстируют с точностью до хх arcsec…» и т.п.

Посмотрю. Я не помню точных цифр. He-Ne - капризный лазер, там нужно около 100 проходов. Nd:YAG требует меньшей точности. Тут сложность в том, что в He-Ne зеркала не плоские, там сфера, и юстировка требуется более грубая.

Если не ошибаюсь, отсюда следует, что даже при положительном коэффициенте усиления среды (А>0) еще не следует, что лазер начнет работать, - потери на зеркалах, например, могут подавить генерацию. (Наверное это банальность, но я с лазерами почти незнаком, потому такие вопросы.)

Абсолютно верно. При использовании хороших диэлектрических зеркал под "потерями" понимается в первую очередь выход излучения через полупрозрачное зеркало. У лазеров вроде He-Ne он очень маленький, не более 1%. У Nd:YAG может достигать 50% и более.

То есть лазеры на красителях - второй пример активной среды, которая (помимо азота) может «завестись» без резонатора? Тогда сразу интересно, лазеры на красителях работают по какой схеме - 3-уровневой или 4-уровневой? И как у них обстоит дело с рабочим возбужденным уровнем - он метастабилен или нет? Какое там обычно время жизни?

Уровней там 4 (на самом деле больше 4), но нижний лазерный уровень живучий и склонен к накоплению электронов. Рабочий уровень метастабильный, но короткоживущий (мкс). Все уровни очень широкие, правильнее говорить о полосах.

Наверное тут правильнее сказать - «между сверхлюминесценцией и лазерной генерацией»?

Может быть. В русском языке нет однозначного использования терминов "сверхлюминесценция" и "сверхизлучение". И так и так называют. Когда важно, обычно уточняют - пишут английский термин в скобках.

Правильно ли я понимаю, что рабочий переход в азоте (C3?u?B3?g) имеет только один запрет – по четности? И он кажется слаборазрешенный?

Уточню. Вообще при возбуждении, особенно при кратном, уровни могут меняться. (Плотность электронных состояний и спектр - не всегда одно и то же). Хороший вопрос.

А разве азоту времени не хватит? У него среднее время жизни на верхнем рабочем уровне около 40 нс. За это время фотон может успеть пролететь 12 метров и много раз в резонаторе отразиться. Или же возбужденный азот при атмосферном давлении еще быстрее релаксирует за счет неупругих столкновений?

Во-первых, релаксирует. Маленькая примесь кислорода резко понижает время жизни, давление - тоже. (Поэтому профессионалы работают на чистом азоте при низком давлении). Во-вторых, возбуждение не мгновенное. В-третьих, лазерная генерация начинается с некоторым опозданием. В результате полезная длина получается 2-4 метра.

А как возникает селекция мод при большим количеством проходов луча по резонатору? Почему соседняя мода, отстоящая, скажем, всего на каких-то 300 МГц от основной (в полуметровом резонаторе He-Ne лазера) при большом количестве проходов луча туда-сюда уже не возбуждается?

Расход энергии. Более сильная мода "крадет" энергию накачки у более слабой и делает ее еще слабее. Но тут есть и обратный эффект: в силу квантовых запретов более сильной моде может оказаться недоступна часть энергии, и от этой части рождается новая мода (так называемый эффект выжигания дырок). То же самое можно объяснить и иначе: в резонаторе долго живут только фотоны с длинами волн, укладывающимися вдоль резонатора целое число раз (полуволн). Все остальные фотоны не усиливаются.

Gall, вот это место самое непонятное. Я так понимаю, если коэффициент усиления (A) больше нуля, то усиление имеет место и при 1 мм и при 1 см и при 1 км – нет разницы. Грубо говоря, интенсивность луча I(L) после прохождения пути L равна:
I(L) = I0 * exp (A*L)
Отсюда следует, что при A>0 интенсивность I(L)>I0 при любых значения пути L.

Верно, но 1) усиление должно превысить потери (которые не всегда равномерны) и 2) на этой длине должно произойти хоть одно спонтанное излучение, чтобы было чему усиливаться. Вернее даже так: если длина 1 см, то полезный путь усиления будет скорее всего около 5 мм, если спонтанное излучение будет где-то в центре. А оно может быть с краю в сторону этого края или не быть вовсе. Или же спонтанно излученный фотон может пройти вовсе без усиления, есть и такая вероятность.

[Gall]

Добрался до книг, списываю конкретные цифры.

Для He-Ne сечение взаимодействия 3E-13 см^2, время жизни 150 нс, прозрачность полупрозрачного зеркала около 2%, резонатор из сферических зеркал (обычно конфокальный) или плоскость-сфера. Расстройка на 2-10 угловых секунд приводит к падению мощности вдвое. Для твердотельных лазеров часто допустима бОльшая расстройка, до 30-50 секунд.

Рабочий переход в азоте, вроде бы, просто разрешен. А вот переходы между этими уровнями и основным состоянием запрещены по спину, ибо триплетные. Усиление до 100 дБ/м.

[diant]

Gall, спасибо огромное! Будут еще вопросы - напишу.

[Gall]

Не за что!

Если что, рекомендую книги Звелто "Принципы лазеров" и Айхлер, Айхлер "Лазеры. Исполнение, управление, применение". Особенно Звелто, там вся теория со всеми формулами есть. Но конкретных цифр почти нет ни там ни там, они у меня из разных статей в журналах.

[diant]

Если что, рекомендую книги Звелто "Принципы лазеров"

Скачал. Книгу сразу узнал (не в тему правда). Много лет назад она досталась мне в наследство от моего соседа Миши, который был ощутимо старше меня и учился уже в Бауманском, когда я еще в школу ходил. Книга казалась мне одной из самых скучных на свете и много лет лежала в шкафу без внимания. Гораздо больше меня увлекало в те годы содержимое Мишиного стола (верхняя полка к примеру была полностью забита порохом, коробками с начищенными спичечными головками, магниевыми опилками и т.п.). Вообщем пиротехнике он меня хорошо тогда подучил.
А книгу Звелто я кажется кому-то уже давно отдал. И вот надо же так случиться - теперь ее из сети качаю...

[Gall]

Бывает. Мне повезло - я купил последнее издание, одну из последних книг (тираж уже был распродан). Кстати, последние книги малых тиражей довольно часто удается купить в маленьких периферийных книжных магазинах, где продают в основном дешевые детективы. Серьезные книги, особенно научные, в таких магазинах иногда залеживаются годами, целевая аудитория таких книг туда просто не заходит.