ЛАЗЕРЫ
бречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На
практике это, действительно удаётся сделать. Такую схему обратной связи
называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в
большинстве существующих лазеров.
Инверсная населённость возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых
излучением ксеноновой лампы-вспышки. Речь идёт о том самом рубине, который
хорошо известен как драгоценный камень, используемый в качестве украшения
для колец, брошек и других ювелирных изделий. Рубин представляет собой
оксид алюминия, в кристаллической решетке которого небольшая часть атомов
алюминия замещена ионами хрома (примесь хрома составляет от 0,05 до 0,5%).
Хром поглощает излучение жёлтого и зелёного участков спектра и пропускает
красный и оранжевый цвета. Этим объясняется великолепный красный цвет
рубина. В настоящее время кристаллы рубина выращивают искусственно. При
поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбуждённое
состояние (рис.3).
В результате внутренних процессов возбуждённые ионы хрома переходят
основное состояние не сразу, а через два возбуждённых уровня. На этих
уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке
ксеноновой лампы возникнет инверсная населённость между промежуточными
уровнями и основным уровнем ионов хрома.
Торцы рубинового стержня (рис.4) полируют покрыиают светоотражающими
интеференционными плёнками, выдерживая при этом строгую параллельность
торцов друг другу.
При возникновении инверсии населённостей уровней ионов хрома в
рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов,
и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами
на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного
луча красного цвета. Длительность лазерного иьпульса ~ 10-3с., немного
короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового
лазера около 1 дж.
С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или
быстродействующего электронного затвора можно “включить” обратную связь
(настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии
населённостей и, следовательно, макси-мального усиления активной среды. В
этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и
инверсия населённости “снимается” вынужденным излучением за очень короткое
время.
В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается
гиганский импульс лазерного излучения. полная энергия этого
импульсаостанется приблизительно на том же уровне, что и в режиме
“свободной генерации”, но вследствие сокращения в сотни раз длительности
импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения
~ 108Вт.
В данной юеседе мы ограничились описанием только на рубине, работающем
в импульсном режиме. Таков был первый лазер, созданный в 1960 году. Стех
пор было создано множество разнообразных типов лазеров, работающих в
различных режимах. Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия
возбуждения поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение
которых имеет вид либо непрерывного светового потока, либо регулярной
последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных
импульсов может быть очень высокой – до 10 7 импульсов в секунду. Лазеры с
импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент
отдельными импульсами) могут излучать “гиганские импульсы” (длительность
импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 квт), а также
сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10-12
с,интенсивность в максимуме до 109 квт). В качестве активных элементов
лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые
материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовых
активных сред используется электрический разряд в газе.
Укажем основные типы лазеров:
а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных
неодимом);
б) газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргане, на
углекислом газе);
в) жидкостные (на растворах органических красителей);
г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих друг
сдругом примесных полупроводниках разного типа);
д) химические (на газовых смесях, в которых происходят химические реакции с
выделением энергии);
е) газодинамические (на реактивной струе газа).
Газовые лазеры.- Основным достоинством газов, как активной среды
лазера, является высокая оптическая однородность.Поэтому для тех научных и
технических приминений, для которых прежде всего необходимы максимально
высокая направленность и монохроматичьность излучения, газовые лазеры
представляют наибольшие интересы.
Вслед за первым газовым лазером на смеси гелия и неона (1960г) было
создано большое количество рознообразных газовых лазеров в которых
используются квантовые переходы нейтральных атомов и молекул, и имеющие
частоты в диапозонах от ультрофиолетового до инфрокрасных частей спектра.
Так лазер на водороде работает на длине волны ?=0,17 мкм. Лазер на ионах
–Neі+uNe+ работает на длине волны ?=0,2358 мкм. и ?=0,3324 мкм,а лазер на
молекулах воды H2O на длинах волн ?=27,9 мкм. и ?=118,6 мкм. Среди лазеров
непрерывного действия видимой и ближней инфракросной области спектра,
наибольшее распространение получил гелий-неновый лазер. Этот лазер
представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку
заполненную смесью NeuNe. Он генерирует излучение с длиной волны ?=0,6328
мкм , то есть в красной области спектра. Типичные размеры трубки это
несколько десятков метров или 1-2 м., диаметр несколько милиметров.
мощьность генерации обычно составляет десятки мВТ. Гелий-неоновый лазер
может работать на условном ряде переходов в ближайшей инфрокрасной области,
направленной на длинах волн ?=1,152 мкм. и ?=3,39 мкм. В лазере
сравнительно просто реализуется предельно малая дифракционная расходимость
светового пучка. Наиболее мощным лазером непрерывного действия, в видимой
области спектра, является аргоновый лазер. В нём используется электрический
разряд, с большой плотностью тока(до нескольких тысячь а /смІ). Он работает
на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра, с длиной
волны ?=0,4880 мкм. и ?=0,5145 мкм. Мощьность генерации составляет десятки
вт. Конструктивно аргоновый лазер значительно сложнее гелий неонового
(необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным лазером является
лазер на CO2 где ?=1,06 мкм. при непрерывном режиме работы СО2—?
достигается мощность в десятки квт. Создано также большое число импульсных
газовых лазеров работающих, как правило в переходном режиме формировония
разряда.
Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительность?10-9с.) дают
сравнительно высокие пиковые мощности?10 квт. СО2 –? также может работать в
импульсном режиме обеспечивая мощность 1010 вт. Газовые лазеры способны
обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели
лазеры всех других типов. Однако на пути повышения монохроматичности и
стабильности частоты излучения лазера, возникает целый ряд трудностей, как
технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие
к «качению» частоты лазера можно разделить на два класса: технические,
влияющие на собственные частоты резонатора и физические, сказывающиеся на
частотах рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал
резонатора, изменение его длины вследствии его теплового расширения и тд.
Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей
флуктуации, свойства активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли
большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты.
Например разрабатываются специальные методы автоматической подстройки
резонаторов, использующие магнитострикционные явления – пъезоэффект. В
основе этих методов лежит следующая система, которая фиксирует изменения
параметров резонаторов и обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее
важным фактором стабильности частоты лазера является флуктуации давления в
рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, так
как столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу
спектральных линий пропорциональным давлению. Флуктуация давления приводит
к флуктуации частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ
должен находится при возможно более низком давлении. С другой стороны
понижение давления приводит к уменьшению коэфициэнта усиления среды. Это
противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты
излучения лазера с помощью поглощающей ячейки помещаемой в резонатор. В
поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию
соответствующую рабочему переходу активной среды. Например, у гелий-
неонового лазера для линий ?=3,39 мкм таким газом является метан СН4.
Оказалось возможным стабили-зировать частоту излучения лазера по частотам
линии поглощения метана, причём в условиях, когда давление, поглощающего
газа значительно меньше активного. С помощью поглощающей ячейки достигнута
относительная стабильность частоты излучения.
Полупроводниковые лазеры. Среди лазеров видимого и инфракрасного
диапазона-полупрводниковые лазеры занимают осбое положение по классу своих
характеристик. В полупро-водниках удаётся получить очень большие
коэффициэнты усиления ? 10І--10і см, поэтому размеры полупроводниковых
лазеров могут быть очень малыми – порядка долей милимметров. Лазеры на
полупроводниках позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфра-
красные диапазоны. Полупроводниковые ижеционные лазеры характиризуются
очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное
излучение (блиское к 100%) и могут работать в непрерывном режиме. При
температуре жидкого гелия достигается
| |  скачать работу |
ЛАЗЕРЫ |
