Лазер как источник светового излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазер как источник светового излучения

лазер модуляция отражение свет

Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее "запрещены", т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).

В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера - в рубиновом лазере.

В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень E1 и состояние E2. Переход с уровня E2 на основной E1, строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне E2 мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне E2 электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях (10^-8 c) это - длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию E2 свойства накопителя энергии.

Если стержневидный рубиновый кристалл (Al2O3) с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня E1 переносятся в энергетическую зону E2 (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону E3, но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден "накачан"), более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень E2, первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.

С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния E2 в состояние E1 и при этом отдает энергию излучения - сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий E2 и E1 и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.

Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об "усилении света индуцированной эмиссией излучения". Отсюда произошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.

Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.

В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат (Y3Al5O12) с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 - 810 нм, основной лазерный переход - на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)

Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.

Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всего перевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние создают индуцированное излучение.

Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем - оптически точно выверенная - вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере, одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор ("окно Брюстера").

Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотноселективной пленки на зеркало.

Необходимо подчеркнуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которому вначале придавали большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой передачи сообщений оказалась простота возможности модуляции света, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.

Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники связи.

Кроме названных, существенными недостатками газового лазера являются его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более, если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким исключением исчезли и представляют только исторический интерес. Полупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на несколько порядков) мощностей.

К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света, который также построен на принципах полупроводниковой техники и изготовляется по такой же или аналогичной технологии,- полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. К одному из p-n переходов, известных из полупроводниковой техники, прикладывается напряжение в направлении проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушения равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) - желаемую инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник накачан, он запас энергию.

Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше прикладываемое напряжение, чем больше ток через p-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучаючий диод.

Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.

В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере объем резонатора много меньше: p-n переход, в области которого образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают аналогично отражателям оптического резонатора.

Когда к началу 60-х годов появились первые пригодные к эксплуатаций лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве - когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едвали можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте 3*10^14 Гц. Если принять лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение 3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной тысячной долей этой пропускной способности, и что в будущем крайне необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в каналах передачи информации.

Модуляция интенсивности излучения

Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от источника света к приемнику. Горизонтально натянутая струна может быть возбуждена по-разному - отклонение струны может происходить или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о вертикальной, а во втором случае - о горизонтальной поляризации волны. Если горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и регистрирует только мощность света (в модели - степень отклонения струны); он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном положении относительно направления распространения луча, они становятся светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с направлением поляризации, повернутым на 90 градусов, они, напротив, почти полностью непроницаемы. Только когда сам фильтр поворачивают на такой же угол (вокруг оси направления распространения света), он пропускает свет второго вида поляризации, преграждая при этом путь первому.

Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется возможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала. Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распространения света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т. е. чем выше приложенное для создания поля напряжение.

Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония (NH4H2PO4) и дигидрофосфат калия (KH2PO4), коротко они обозначаются как ADP или KDP кристаллы.

Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического модулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационного фильтра.

Линейная модуляция, прежде всего, преобразуется в круговую модуляцию с помощью, так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в зависимости от сигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляризационного фильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации в кристалле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на 90 градусов второй фильтр полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.

Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений прилагаемого модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими методами.

Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления поляризации несомненно представляла бы собой технически более изящное решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней модуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно было бы, например, встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция). Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными характеристиками: потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответственно высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).

В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в системах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер в основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетом ряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессе последовательной неустанной работы по их совершенствованию.

Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще как следует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы - проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только в космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем распространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать свет, т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для когерентного света), то можно в полном смысле слова перекрыть астрономические расстояния. (Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого положения. Необходимо послать необычайно узкий световой луч и достигнуть далеко отстоящий пункт с максимально возможной световой мощностью, поэтому требуется очень высокая стабильность расположения передатчика, и положение приемника должно быть точно известно.)

Что касается свойств атмосферы как передающего канала для модулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой с сильно изменяющимся и значительным ослаблением.

Несмотря на эту, не совсем ободряющую ситуацию приблизительно с 1965 по 1970 г., были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники оптической связи в атмосфере. Были созданы довольно простые и дешевые размером с портфель приборы, которые позволили осуществить передачу через атмосферу телевизионного изображения.

Если сравнить средние значения по многим измерениям, то можно установить: атмосферная оптическая связь рационально применима только в специальных редких случаях и только для очень коротких расстояний при весьма незначительных количествах передаваемой информации. Если речь идет только о единственном телефонном канале, то можно перекрыть несколько километров с надежностью линии передачи, равной 95%. (Никакое управление связи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!) Приблизительно в 5% времени такая линия связи прерывается из-за погоды. Высокая надежность оптической связи в атмосфере может быть достигнута только в результате сильного уменьшения длины участка.

Следующей была мысль о вакуумированной или наполненной инертным газом трубе, которую хотели прямолинейно проложить на большие расстояния и в которой луч света должен был распространяться, не ослабляясь в газах и из-за твердых частиц. Оптимисты говорили даже о "совместном использовании протяженных газопроводов".

Эта идея также не смогла выдержать сурового испытания. Строго прямолинейная прокладка была утопией.

Дальнейшее усовершенствование привело к так называемым линзовым световодам. Если в трубе на расстоянии приблизительно 100 м применить стеклянные линзы диаметром около 10 см с определенным показателем преломления, то можно доказать, что световой луч, входящий в трубу даже при не строго параллельном относительно оси пробеге, постоянно будет возвращаться к середине трубы (к оптической оси) и не покинет систему линз. С помощью такой конструкции можно также добиться искривления хода луча. Этот проект был исследован и экспериментально испытан. Но оказался довольно сложным т. к. даже сложных устройств, которые автоматически управляли положением отдельных линз, оказалось недостаточно, чтобы компенсировать отклонения луча, вызванные температурными колебаниями и движением земной коры. Варианты этой идеи исследовались долгие годы. Лаборатории фирмы Bell в США заменили механически регулируемые стеклянные линзы газовыми линзами. Это короткие отрезки газонаполненной трубки с внешним электрическим нагревом, в которых за счет перестраиваемых радиальных температурных градиентов можно было достигнуть требуемой фокусировки луча по центру трубы. Но эти работы также не привели к успеху.

Распространение света при полном отражении

Все вышеперечисленные этапы развития были пройдены, хотя простой способ передачи света был давно известен: передача луча по обыкновенному стеклянному стержню, который окружен средой с малым показателем преломления (например, воздухом). Световые лучи, проходящие внутри стеклянного стержня под небольшим углом к его оси, покидают его; они полностью отражаются от стенок стержня и зигзагообразно (или винтообразно) распространяются вдоль него, пока, наконец, не выйдут на конце даже в том случае, когда стеклянный стержень не прямолинеен, а изогнут.

Это явление было использовано для того, чтобы подвести через многократно изогнутый стеклянный или пластмассовый стержень свет лампы накаливания внутрь оптических приборов, в труднодоступные места с целью освещения или индикации.

Интересный вариант применения имеется в медицине: светопроводящий волоконный жгут, состоящий из множества волосяных световодов, благодаря чему достигнута такая гибкость, при которой жгут может быть введен в полости человеческого тела. Удалось даже изготовить так называемые упорядоченные жгуты: каждое отдельное светопроводящее волокно на конце жгута находилось точно на том же месте поперечного сечения, как и на противоположном конце жгута. Эти упорядоченные жгуты делают возможным передачу изображения при условии его освещения.

Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов, упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину. Но у них имелся существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для применения в ряде технических областей. Простой расчет указывает на это. Обычное оптическое стекло обладает ослаблением света приблизительно от 3 до 5 дБ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн). Отношение мощностей P1/P2 измеряется в технике связи в децибелах (Дб). Коэффициент ослабления в децибелах равен 10Log(P1/P2). Ослабление светового сигнала в 20 Дб означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 Дб - уменьшение мощности вдвое.

Среди отобранных для технических целей стекол можно найти образцы с несколько лучшими значениям ослабления (от 0,4 до 0,8 Дб/м), а для кварцевых стекол можно достигнуть 0,2-0,3 Дб/м. Но даже при использовании кварцевых стекол на каждых 100 м длины световода подведенная световая мощность падает на 30 дБ, т. е. в 100 - 1000 раз. Основная часть света поглотилась бы световодом, превратилась бы в теплоту или была рассеяна через боковую поверхность световода.

Хотя ослабление в медных проводниках не многим меньше, они перекрывают расстояния (в зависимости от конструкции и вида передаваемой информации) в несколько километров, пока сигнал не ослабнет настолько, что окажется необходимым включить промежуточный усилитель (повторитель), который усиливает сигнал и заново подает его в кабель. Много таких усилителей располагают, как правило, между устройствами двух телефонных абонентов, однако в оптической линии связи расстояние между двумя соседними усилителями, называемое также длиной усилительного участка, составляет менее 1 км, а для указанных выше значений ослабление достигает 100 м. С технико-экономической точки зрения такая линия передачи не приемлема.

Для применения в технике связи необходимо было уменьшить ослабление в световоде. При этом можно было бы удовлетвориться значением 30 Дб/км вместо 500 для имеющихся оптических стекол. Этого было бы достаточно для перекрытия расстояния в 1 км. Специалисты в области производства стекла еще в середине 60-х годов считали такое требование абсолютной утопией и указывали на высокий уровень технологии оптических стекол, который едва ли можно было улучшить. Разработки начались с дорогостоящих и продолжительных работ над световодами со стеклянными и газовыми линзами.

К счастью, как это уже неоднократно бывало в истории техники, оптимисты опять не поверили оценкам экспертов. Они начали работать над улучшением "неулучшаемых" оптических стекол.

В 1970 г. в результате достижения высокой чистоты исходного материала американской фирме Corning Glass удалось выплавить стекло с ослаблением около 30 Дб/км. Для этой цели необходимо было снизить относительное содержание металлических компонентов в исходном материале стекла до 10^8 и менее.

Двадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило технологию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и при разработке технологии получения стекла.

С этого момента все другие решения были забыты. Целью стал максимально прозрачный световод. Достигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном производстве значения ослабления заметно снизились, и пятью годами позже были получены образцы с ослаблением 5 Дб/км, т. е. гораздо меньше, чем надеялись. Открылись новые пути: в определенны областях длин волн ослабление измерялось значениями, гораздо меньшими 1 Дб/км; длины усилительных участков, о которых в области электрической кабельной связи приходилось только мечтать, в системах оптической связи стали предметом обсуждения.

В середине 70-х годов работы по передаче сигналов по волоконно-оптическим линиям приобрели широкий размах. Техника оптической связи родилась во второй раз - и теперь окончательно.

Размещено на Allbest.ru