Глава 2. Процессы накачки

Процесс перевода частиц с основного уровня на возбужденный называется накачкой. Обычно используют два способа накачки: оптический и электрический. При оптической накачке среда поглощает свет мощного источника и превращается в активную среду. Этот способ хорошо подходит для твердотельных лазеров. Накачка производится в полосы поглощения.

Электрическая накачка проводится в газовых лазерах электрическим разрядом (сюда частенько относят и п/п лазеры). В газовых лазерах ширина линий поглощения невелика, а спектр излучения ламп широк, поэтому КПД накачки очень мал.

Оптическая накачка.

При оптической накачке свет от мощной некогерентной лампы с помощью оптической системы передается активной среде. Наиболее широко используются схемы накачки изображенные на рис.

Здесь не изображена исторически первая лампа в виде спирали, намотанной на стержень.

Эффективность обеих схем примерно одинакова. В качестве отражателей применяют иногда не зеркальные, а диффузные отражатели из MgO или BaSO₄. Применяют и более сложные отражатели из двух полуэллипсов или схемы с плотной упаковкой с двумя лампами по обеим сторонам стержня.

В схемах накачки применяют Xe или Kr лампы. Импульс света получают разрядом батареи конденсаторов. В непрерывных лазерах применяют криптоновые лампы высокого давления. Спектр ламп зависит от давления внутри лампы

КПД накачки

КПД накачки – отношение минимальной мощности накачки, требуемое для создания определенной скорости накачки, к электрической мощности, подведенной к лампе:

,

где V – объем активной среды. Т.к. распределение скорости накачки по активному стержню неоднородно, то необходимо брать среднюю мощность накачки. Для импульсного лазера кпд – отношение мощности накачки в импульсе к электрической энергии, подведенной к лампе.

Процесс накачки можно условно разделить на 4 этапа:

1 – испускание излучения от лампы (η_r– излучательная эффективность лампы);

2 – перенос излучения к активному стержню (η_t – эффективность передачи);

3 – поглощение в стержне (η_a – эффективность поглощения);

4 – передача энергии верхнему возбужденному уровню (η_pq – квантовый выход).

Следовательно, η_p= η_r η_t η_a η_pq

• Излучательная эффективность ламп определяется энергией, попадающей в полосу накачки и потерями в виде теплоты. Типовое значение η_r лежит в пределах ≈ 0,4 - ≈ 0,27 для различных сред и типов ламп (импульсных или непрерывных).

• Прозрачность плазмы ламп.

• Коэффициент отражения серебра ~0,98,

золота при λ>0,65 мкм 0,94

• Коэффициент передачи зависит от геометрии отражателя. С учетом конечных размеров лампы и стержня и непрозрачности плазмы лампы η_t=0,8 – 0,9. Для плотноупакованной конструкции η_t=0,62.

Распределение света накачки.

Пусть имеем плотноупакованную конфигурацию. В этом (и подобном) случае свет падает на боковую поверхность под любым углом. Критический угол определяется выражением . В приближении геометрической оптики максимальная освещенность стержня будет в центре с радиусом R/n.

Для обеспечения однородности освещения стержня применяют прозрачную оболочку радиусом nR. η_t<1. Оболочка применяется не всегда, т.к. моды заполняют не весь стержень, и имеется перетяжка пучка в центре резонатора.

Эффективность поглощения и квантовый выход накачки определяются следующими процессами: скоростью переброски частиц с основного уровня в полосу поглощения, релаксацией на возбужденный уровень и, наконец, переходами на основной уровень.

Материал	ηr %	ηt %	ηa %	ηpq %	ηp %
Рубин	27	78	31	46	3
Александрит	36	65	53	66	8
Nd:YAG	43	82	17	59	3,5
Стекло+ Nd	43	82	28	59	5,8
Nd:Cr:GSGG	43	82	54	48	9,1

Электрическая накачка

Электрическая накачка применяется в газовых и полупроводниковых лазерах. Электрическая накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь, находящуюся под низким давлением, постоянного, ВЧ или импульсного тока. Разряд может быть либо продольным, либо поперечным. Для уменьшения деградации катода, его площадь намного больше площади анода. Продольный разряд позволяет получить более однородное и стабильное распределение накачки. Основную роль при электрической накачке играют электроны. Накачка происходит благодаря одному из 2^х процессов:

1. В газе, состоящем из частиц одного сорта, возбуждение осуществляется лишь электронным ударом.

это столкновение первого рода.

2. В газе из двух компонентов А и В происходит процесс резонансной передачи энергии.

Полупроводниковый лазер – это p-n переход, включенный в прямом направлении. Ширина запрещенной зоны должна быть такова, чтобы энергия, выделяемая при рекомбинации электронно-дырочной пары, излучалась в виде фотона в видимой или в инфракрасной областях. Электрическая накачка в этом случае сводится к тому, что в область p-n перехода инжектируются электроны и дырки. Поток зарядов должен быть достаточным для создания инверсии и преодолении порогового уровня.

Такой процесс очень схематично изображен на рис.

Глава 3. Оптические резонаторы

Пассивный оптический резонатор – замкнутая полость, состоящая из отражающих поверхностей и содержащая внутри себя однородную, изотропную и пассивную диэлектрическую среду. Мода резонатора – стационарная конфигурация электромагнитного поля, которая удовлетворяет как уравнениям Максвелла, так и граничным условиям. Лазерные резонаторы характеризуются следующими двумя особенностями: 1) они, как правило, являются открытыми, т.е. не имеют боковой поверхности, и 2) их размеры намного превышают длину волны лазерной генерации. В лазерах применяются открытые резонаторы. В таком резонаторе лишь очень немногие моды, соответствующие суперпозиции распространяющихся почти параллельно оси резонатора волн, будут иметь достаточно низкие потери, чтобы стала возможной генерация. Все остальные моды резонатора соответствуют волнам, которые почти полностью затухают после одного прохождения через резонатор (скорее покидают его за насколько проходов). Это главная причина применения открытого резонатора, вторая – удобство оптической накачки.

Наиболее широко применяемые лазерные резонаторы имеют либо плоские, либо сферические зеркала круглой формы, расположенные на некотором расстоянии L друг от друга. Величина L составляет от нескольких до нескольких десятков сантиметров, а размеры зеркал от долей сантиметра до нескольких сантиметров. Имеется много типов резонаторов. Наиболее упоминаемы:

а) Плоскопараллельный резонатор (резонатор Фабри-Перо).

б) Концентрический (сферический) резонатор.

в) Конфокальный резонатор.

г) Резонаторы, состоящие из плоского и сферического зеркал.