Страница 30 из 41
Что касается оптического резонатора, то он представляет собой комбинацию из двух зеркал, одно из которых должно быть в некоторой степени прозрачно по отношению к генерируемому излучению.
Внутрь резонатора помещают дополнительные элементы. Их задача — обеспечить определенный режим работы ОКГ (например, непрерывную генерацию, импульсный режим свободной генерации или импульсный режим гигантских импульсов), модулировать лазерное излучение (т. е. вносить в него определенную полезную информацию).
КАКИЕ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ ЛАЗЕРЫ? В КАКИХ РЕЖИМАХ ОНИ РАБОТАЮТ?
В настоящее время создано чрезвычайно много различных лазеров, дающих излучение в широком диапазоне длин волн (от 200 до 20000 нм, т. е. от глубокого ультрафиолета до далекой инфракрасной области). Лазеры работают с очень короткой длительностью светового импульса τ ~= 10-12 с, а также могут давать и непрерывное излучение.
Плотность потока энергии лазерного излучения составляет величину порядка 1018 Вт/см2 (интенсивность Солнца составляет «всего» 7∙103 Вт/см2).
Сначала остановимся на твердотельных лазерах. Среди них наиболее известны рубиновый лазер и лазеры на стекле, в частности неодимовый лазер (наиболее мощный твердотельный лазер). Активная среда таких ОКГ всегда состоит из двух компонент: основной с кристаллическим или аморфным диэлектриком и примесной (в количестве от нескольких десятых, сотых до нескольких процентов от основной компоненты). Все физические процессы, приводящие к генерации когерентного излучения, происходят в атомах примеси, тогда как основная компонента является средой, которая оберегает активные центры от перегрева, внешних механических перегрузок и является также высокооптически прозрачной основой, несущей излучающие вкрапления атомов или ионов примеси. Для создания инверсии используют оптическую накачку от специальных мощных ламп-вспышек.
ПО КАКОЙ СХЕМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?
Твердотельные ОКГ работают по трех- или четырехуровневой схеме. Коэффициент полезного действия этого типа ОКГ определяется эффективностью превращения электрической энергии в световую (35–50 %), эффективностью поглощения световой энергии активным стержнем (30–50 %), эффективностью использования энергии, поглощенной стержнем (5—10 %), и составляет 0,1–2 %. Твердотельные ОКХ обладают достаточно высокой мощностью излучения при относительно малой длине активной среды.
Первый твердотельный рубиновый лазер (основным элементом такого ОКГ является рубиновый стержень высокой оптической однородности) был создан в 1960 г. Рубин представляет собой по химическому составу оксид алюминия Al2О3 (корунд) с примесью ионов хрома (0,03—0,05 %), окрашивающих корунд в розовый цвет. Таким образом, ионы хрома и являются активными центрами, в которых осуществляются все физические процессы генерации излучения.
Рубиновый стержень обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,5–2 см и длиной 4,5—24 см.
На рис. 47 показан характерный общий вид твердотельного ОКГ. Здесь 1 — активный стержень, 2 — зеркала оптического генератора, представляющие собой специально обработанные торцы активного стержня, 3 — лампа-вспышка (возможны также конструкции, использующие лампу непрерывного горения), 4 — эллиптический отражатель. В современных лазерах для более эффективной концентрации световой энергии лампы на активном стержне осветитель и рубиновый стержень располагают в фокусах эллипса.
Рис. 47. Твердотельный рубиновый лазер
Ионы хрома, входящие в состав рубина, до вспышки находятся на самом нижнем невозбужденном уровне. Два возбужденных состояния ионов лежат в зеленой и синей областях спектра.
Поглощая зеленый или синий свет, содержащийся в излучении лампы-вспышки, ионы переходят в возбужденное состояние, т. е. на уровень £У (см. рис. 43). Время жизни ионов на этом уровне менее 1∙10-7 с. Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень E2, отдавая некоторую часть энергии решетке кристалла, нагревая ее. На этом уровне ион может находиться относительно долго (~ 10-3 с).
При достаточно мощной вспышке можно перебросить на метастабильный уровень за 10-3 с достаточное количество частиц и получить инверсию населенности между метастабильным и невозбужденными уровнями иона. Переход частиц с уровня E3 на уровень E2 происходит без испускания электромагнитных волн, тогда как переход с метастабильного на основной уровень происходит с испусканием света в красной области спектра (λ = 694,3 нм).
При инверсии населенности рубин приобретает способность усиливать красный свет. В качестве ламп накачки используют мощные газоразрядные лампы спиральной или трубчатой конструкции. Длительность вспышки порядка 1∙10-3 с, а сама лампа питается от батарей конденсаторов емкостью до 10 000 мкФ, заряженных до нескольких тысяч вольт. Обычно большие лазеры дают в импульсе энергию до 1000 Дж, что соответствует импульсной мощности до 1 МВт.
В качестве другого примера твердотельного ОКГ может служить неодимовый лазер, активная среда которого представляет собой стекло с примесью атомов неодима. Лазер функционирует по четырехуровневой схеме и дает излучение в инфракрасной области с λ = с/v32 = 1060 нм (здесь с — скорость света, т. е. скорость распространения электромагнитных волн).
В КАКОМ РЕЖИМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?
Твердотельные ОКГ (как, впрочем, и любой лазер) могут работать как в стационарном или непрерывном, так и в импульсном режимах. Для осуществления стационарного режима работы лазера плоские торцы рубинового или неодимового стержня покрывают слоями серебра так, чтобы один торец имел высокий (~ 1) коэффициент отражения, а другой был бы полупрозрачным. В этом режиме создание инверсии и генерация происходят одновременно, т. е. накачка образует инверсную заселенность энергетических уровней, а генерация непрерывно ее «уничтожает».
Однако существуют способы «накопления» инверсии, а затем «выстреливания» излучения за очень короткое время порядка 1∙10-8 с (10 нc). Такой импульсный режим предусматривает применение одного непрозрачного, а другого полностью прозрачного зеркал резонатора. В то время как действует лампа накачки, при полностью прозрачном торце лазера на выходе излучения (правый торец стержня на рис. 47) многократный переход индуцированного излучения и его усиление невозможны, т. е. инверсия не «перерабатывается» в излучение и происходит рост заселенности инверсных уровней.
Если теперь, когда инверсия уже велика, правый торец станет частично отражающим («заменится» полупрозрачным зеркалом), возникнет усиление и будет генерирован импульс излучения. Заметим, что в этом режиме мощность излучения не превышает мощности, выделяемой при стационарном (непрерывном) режиме.
НО СУЩЕСТВУЕТ ЕЩЕ И РЕЖИМ ГИГАНТСКИХ ИМПУЛЬСОВ?
В режиме гигантских импульсов излучение реализуется в виде мощных одиночных или повторяющихся импульсов, пиковая мощность которых достигает 106—1010 МВт при длительности порядка 10-12 с.
В этом случае при накачке и «накоплении» инверсии оба торца лазера непрозрачны — генерация нарастает до значительных размеров. Затем одно из препятствий излучению (с правого конца стержня) «убирается» и мощный импульс беспрепятственно устремляется наружу. Для обеспечения условий импульсного режима генерации применяют дополнительные элементы (4 на рис. 46) различной конструкции — оптические затворы. В простейшем случае это может быть синхронизированный с импульсами накачки вращающийся прерыватель светового пучка или вращающееся зеркало резонатора. Для создания режима гигантских импульсов более совершенными оказываются пассивные и электрооптические затворы.