Материал: Физические основы работы квантовых генераторов (110
Генерация начнется лишь тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери. Потери в режиме лазерной генерации обычно обусловлены тремя причинами:
а) потери за счет поглощения и рассеяния в рабочем веществе, которые обозначим αп,
б) потери на зеркалах из-за неполного отражения от зеркал, поскольку коэффициент отражения R отличен от идеального, т.е. от 100 % – αз,
в) часть энергии необходимо выводить через зеркала наружу, такие потери на полезное излучение обозначим αполезн.
Уравнение (17) с учетом всей совокупности потерь имеет вид
I = I0exp[(β – αп – αз – αполезн)х]. |
(19) |
Для осуществления генерации необходимо, чтобы коэффициент квантового усиления β был больше суммы всех потерь, т.е.
β ≥ αп – αз – αполезн. |
(20) |
Итак, для работы генератора необходимы:
1)активная среда;
2)мощный источник осуществления инверсии, N2 > N1; это лампавспышка или другое устройство накачки;
3)положительная обратная связь, например в виде параллельных зеркал;
4)выполнение порогового условия, чтобы коэффициент усиления α был больше суммы всех потерь: из-за рассеяния света на неоднородностях, из-за поглощения квантов на нерабочих уровнях. Существуют еще дифракционные потери из-за конечного размера зеркал.
Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. Существует очень много различных типов лазеров. Они отличаются друг от друга внешним видом, размерами, конструкцией. Если квантовый генератор дает полезное излучение непрерывно, то генератор называется ОКГ непрерывного действия. Если полезное излучение генерируется импульсами, то ОКГ называется импульсным, что может реализовываться различными способами. Рабочим телом при этом могут быть твердые тела, газы, жидкие красители, полупроводники.
Рассмотрим теперь некоторые конкретные типы лазеров.
3. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
Рубин, сотни лет известный как природный драгоценный камень, представляет собой кристалл А12О3 (корунд), в котором часть ионов Аl3+ замещена ионами Сr3+ . Кристаллы рубина, применяемые в лазерах в качестве активной среды, обычно получают путем выращивания из расплава
11
смеси А12О3 и небольшой части Сr2О3. Без добавления Сr2O3 формирующийся кристалл (сапфир) становится бесцветным и необходимо добавить совсем немного Сr2О3, чтобы кристалл приобрел розовый оттенок (розовый рубин) вследствие наличия у ионов Сr3+ зеленой и фиолетовой полос поглощения. Заметим, что в природных драгоценных камнях концентрация Сr3+ приблизительно на порядок больше, чем в искусственных, что придает им насыщенную красную окраску (красный рубин).
Активными центрами в рубиновом лазере являются ионы хрома. В данном случае ион хрома не является свободным, а находится в кристалле рубина, это приводит к тому, что его энергетические уровни как бы «размазываются», превращаясь в энергетические полосы. Некоторые энергетические полосы оказываются достаточно узкими, так что их можно приближенно рассматривать как энергетические уровни. Для работы лазера на рубине существенны не все уровни (полосы) хрома, а только некоторые из них. На рис. 6 показана схема энергетических уровней ионов хрома, внедренных в кристалл.
Рис. 6. Энергетические уровни иона хрома в кристалле рубина
Цифрой 1 обозначен основной уровень; в отсутствии накачки (когда лазер работает) практически все ионы хрома находятся на этом уровне. Лазерное излучение рождается на переходах 2→1 ионов хрома; поэтому уровень 2 называют верхним рабочим уровнем, а основной уровень 1 играет в данном случае роль нижнего рабочего уровня. Наличие полос 3 приводит к поглощению в зеленой (550 нм) и фиолетовой (420 нм) областях спектра.
Время жизни ионов в возбужденных состояниях 3 мало, приблизительно 10–8 с, т.е. в состояниях 3 ион хрома долго не задерживается и переходит на уровень 2, отдавая избыток энергии колебаниям кристаллической решетки А12О3. Уровень 2 – так называемый метастабильный уровень, время жизни ионов на нем сравнительно велико (10–4 –10–3с). Поскольку уровень 2 долгоживущий, то под действием накачки на нем будет накапливаться все больше и больше ионов хрома, и вскоре число ионов на уровне 2 станет
12
больше числа ионов на уровне 1. В результате возникает инверсная населенность рабочих уровней. Генерация возникает при переходах 2 → 1, при этом излучается свет с длиной волны 0,6943 мкм.
В лазере на рубине, как и в любом твердотельном лазере, применяется оптическая накачка. На рис. 7 показан основной элемент конструкции лазера Меймана: кристалл рубина и ксеноновая лампа-вспышка.
Рис. 7. Конструкция лазера Меймана
В более поздних конструкциях использовалась линейная лампа, расположенная вдоль кристалла. Лампа накачки и активный стержень размещены внутри отражателя параллельно друг другу таким образом, чтобы их оси проходили через фокусы эллипса, представляющего собой поперечное сечение отражателя. Этим достигается хорошая концентрация светового потока лампы-накачки на активном стержне.
Рубиновый лазер в режиме свободной генерации излучает сотни джоулей в импульсе длительностью 0,5–1 мс, в режиме модулированной добротности 1 энергия импульса – единицы Джоуля, а длительность порядка 20 нc, т.е. максимальная мощность импульса 5 109 Вт.
4. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР
Примером газового лазера является гелий-неоновый квантовый генератор.
Этот лазер работает на смеси газов гелия и неона. Активным веществом лазера является неон. Атомы гелия играют вспомогательную роль, они необходимы для создания инверсии населенностей. В лазере смесь гелия и неона заключена в стеклянную трубку, в которой с помощью специального устройства поддерживается непрерывный электрический разряд. Электроны, набирающие энергию в электрическом поле разряда, играют роль первичных носителей энергии. На рис. 8 показано устройство He-Ne лазера.
1 Режим модуляции добротности резонатора – во время действия накачки в резонатор с помощью лазерного затвора вводятся дополнительные потери, препятствующие возникновению свободной генерации; после выключения потерь энергия возбуждения, запасенная в активной среде, излучается в виде короткого и мощного импульса.
13
Рис. 8. Устройство гелий-неонового лазера: 1 – газоразрядная трубка со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %
Принцип работы лазера иллюстрирует рис. 9. В электрическом разряде происходит возбуждение атомов гелия электронным ударом (рис. 9а). При столкновении атома гелия с атомом неона происходит передача возбуждения последнему, при этом атом гелия возвращается в основное состояние, а атом неона оказывается в возбужденном состоянии 3. Поскольку возбужденные состояния атомов гелия и неона характеризуются почти одинаковыми энергиями, вероятность передачи энергии при столкновении велика. В результате атомных столкновений часть атомов неона переходит в возбужденное состояние 3. Между состоянием 3 и состоянием 2 с меньшей энергией возникает инверсия населенностей, так как состояние 2, в котором энергия атома неона составляет около 20 эВ, почти не заселено. Наконец, при переходе атомов неона из состояния 3 в состояние 2 испускается лазерное излучение (рис. 9в).
Рис. 9. Схема энергетических уровней гелия и неона
Малая населенность уровня 2 облегчает создание инверсии населенностей. В итоге возникает возможность непрерывной работы лазера при очень малом потреблении энергии – около 50 Вт в первых моделях. Мощность излучения гелий-неонового лазера составляет обычно порядка 10 мВт. He-Ne лазер может излучать несколько длин волн:
14
λ1 = 632,8 нм – красное излучение; λ2 = 1150 нм и λ3 = 3390 нм – инфракрасное излучение.
4. ЛАЗЕРЫ НА ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЯХ
Другой важный класс лазеров представляют лазеры на органических красителях. Активным веществом в них является органический краситель, растворенный в подходящей жидкости. Поскольку молекулы красителя содержат от 20 до 60 атомов, точную схему энергетических уровней изобразить невозможно. Упрощенная схема энергетических уровней молекулы красителя приведена на рис. 10. Энергетические уровни представляют собой полосы, возникающие в результате колебательных переходов в молекулах красителя. Наличие широких полос 1 и 2 приводит к широкому спектру люминесценции, что дает возможность создавать перестраиваемые лазеры.
Рис. 10. Схема лазера на красителе
Кроме того, органические красители имеют дополнительные состояния, которые называются триплетными (см. рис. 10). Переходы с триплетного уровня не дают вклад в излучение лазера. Следовательно, лазер прекращает свою работу, когда на триплетном уровне накапливается достаточное число молекул.
Для уменьшения влияния триплетного состояния лазеры на красителях или работают в импульсном режиме, или раствор красителя непрерывно прокачивается через лазерный резонатор. Если активный объем достаточно мал, а скорость течения раствора достаточно велика, молекулы успевают физически удалиться из резонатора до того, как значительная их доля будет потеряна вследствие перехода на триплетный уровень.
15