- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
11.1. Накачка газовых активных сред
11.1.1. Электрический разряд в газовой среде
Наиболее общий метод возбуждения в газовых лазерах – непрерывный или импульсный электрический разряд. Разряд поддерживается в газоразрядной трубке из кварцевого стекла или керамики, заполненной газовой активной средой. Инверсная населенность уровней и усиление в газовой среде возникают в электрическом разряде в процессах соударений атомов, молекул и электронов и последующей релаксации возбужденных состояний.
В некоторых особых случаях для накачки газовых активных сред применяют химическое возбуждение, газодинамические процессы и накачку оптическим излучением или пучком электронов.
В газовых активных средах обычно реализуется наиболее эффективная четырехуровневая схема накачки. В такой схеме нижний лазерный уровень должен иметь малое время жизни по сравнению с верхним.
Существуют газовые активные среды, для которых это условие не выполняется. Это лазеры на самоограниченных переходах, в которых нижний лазерный уровень - долгоживущий. В таких средах значительное усиление возникает лишь на короткое время после начала разряда. Поэтому их необходимо возбуждать коротким импульсным электрическим разрядом.
Наиболее распространенный способ накачки – тлеющий разряд. Тлеющим разрядом называют самостоятельный разряд, в котором катод испускает электроны вследствие бомбардировки его положительными ионами и фотонами, образующимися в газе.
Схема устройства для исследования тлеющего разряда в воздухе показана на рис. 11.1.а. Из-за большого различия в массах электронов и положительных ионов потенциал электрического поля вдоль разрядной трубки с тлеющим разрядом изменяется неравномерно. Большое падение потенциала происходит вблизи катода. В основной части разряда – положительном столбе падение напряжения невелико.
При атмосферном давлении и приложенном к электродам постоянном напряжении в несколько киловольт тлеющий разряд в газоразрядной трубке не возникает.
Однако, если давление газа в трубке длиной 30 … 50 см, уменьшить до 2…3 мм рт. ст., то тлеющий разряд возникает. Для зажигания непрерывного тлеющего разряда на электроды трубки, к которым приложено постоянное напряжение, подают высоковольтный поджигающий электрический импульс. Схематический вид газоразрядной трубки показан на рис. 11.1,б. На этом же рисунке приведено распределение электрического потенциала в разряде.
Внутри работающей газоразрядной трубки можно выделить несколько областей. Непосредственно вблизи катода существует темное пространство 1, где энергия электронов, исходящих из катода, недостаточна для возбуждения атомов и молекул газа. Тонкая светящаяся полоска 2 связана с возбуждением атомов и молекул газа без их ионизации. В области 3 начинается ионизация атомов и молекул. Свечение в области 4 называют тлеющим. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. В область 5 электроны, испускаемые катодом, уже не долетают, поэтому здесь существует так называемое фарадеево темное пространство. Перечисленные выше пять областей называют катодными частями разряда.
Область 6 представляет собой остов разряда – положительный столб разряда. Для положительного столба разряда характерна относительно высокая степень ионизации газа и, связанная с ней высокая проводимость. Эту область и используют в лазерах в качестве активной среды. Плотность тока в тлеющем разряде составляет ~ 10-3 … 10-1 А/см2. Концентрация активных частиц равна 109 … 1011. Степень ионизации газа, составляет менее сотых долей процента.
Получение инверсной населенности между энергетическими уровнями газа, состоящего из атомов или молекул одного сорта, в газовом разряде обычно трудно достижимо. Для получения усиления в газовой среде, как правило, используют смеси различных газов. В разряде возбуждаются частицы специально подобранного буферного газа, которые передают энергию возбуждения генерирующим активным частицам. Для эффективной резонансной передачи энергии спектральные контуры возбужденного состояния донорного газа и активных частиц должны перекрываться. Роль буферного газа заключается также в снижении концентрационного тушения люминесценции лазерного перехода.
Буферный газ понижает температуру газовой смеси и уменьшает постоянную времени нижнего лазерного уровня. Естественно, при создании лазера соотношение газов в смеси, длину и диаметр газоразрядной трубки оптимизируют для получения максимальной мощности и эффективности генерации.
Рис. 11.1. Схема газоразрядной трубки. Распределение электрического напряжения вдоль трубки в случае тлеющего разряда.
Стационарный тлеющий разряд можно возбуждать также переменным током с частотой 10 … 50 Мгц. В этом случае электроды находятся вне газоразрядной трубки, а поджигать разряд высоковольтным импульсом не требуется.
По типу активных частиц газоразрядные лазеры разделяют на три класса: лазеры на нейтральных атомах, на ионах и молекулярные лазеры.
Возбуждение ионных лазеров осуществляют в дуговым разряде. Дуговой разряд происходит при плотностях тока в сотни А/см2 и при относительно низких рабочих напряжениях 10… 100 В. Степень ионизации газа в дуговом разряде сравнительно высокая – более процента.
Для получения лазерной генерации на переходах нейтральных атомов широко применяют импульсный электрический разряд. В результате лавинной ионизации в импульсном разряде плотность тока может достигать тысяч А/см2. По окончании импульсного разряда происходят рекомбинационные процессы, происходящие с участием долгоживущих ионов и возбужденных атомов, и термолизация электронов. Эти процессы приводят к импульсной генерации в условиях высокого коэффициента усиления, которая однако быстро прекращается из за насыщения усиления вследствие заполнения нижнего лазерного уровня в процессе генерации. Импульсный разряд с крутым передним фронтом применяют для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах. Для получения усиления длительность фронта разряда должна быть соизмерима с излучательным временем жизни верхнего лазерного уровня, которое обычно находиться в наносекундном временном диапазоне.
Существенный недостаток почти всех газовых лазеров – сравнительно низкая эффективность возбуждения, составляющая единицы или доли процента от вложенной электрической энергии. Исключение составляют лазеры на двуокиси углерода, кпд которых достигает 20%. Сравнительно высокая эффективность этих лазеров обусловлена тем, что инверсная населенность создается между колебательными уровнями молекул СО2, находящихся в основном состоянии, и возбуждать более высоко лежащие уровни не требуется.