3.4 Принципиальная схема лазера с оптической накачкой.

Раньше, когда мы рассматривали механизм лазерной генерации, мы не конкретизировали механизм возбуждения активных центров (атомов, ионов, молекул) на верхней лазерный уровень. Сейчас мы рассмотрим принципиальную схему рубинового лазера, как характерного представителя лазера с оптической накачкой. Исторически это первый в мире лазер. Его создал Мейман в 1960 году. На рис. 3-5 показана принципиальная конструкция этого лазера.

Рис. З-5. Принципиальная схема рубинового лазера, созданного

Лазерной средой служит монокристалл рубина 1 в форме цилиндрического стержня. Торцы этого стержня и параллельны между собой с большой точностью и отполированы на плоскость с высоким качеством. На торце стержня запылено зеркальное покрытие с коэффициентом отражения, близким к 100%. На одном из торцов снята узкая полоска зеркального покрытия. Таким образом выполнена прозрачность выходного зеркала. Близко к рубиновому стержню размещена лампа-вспышка 2, форма которой прямая, а не изогнутая в виде подковы, как в фотовспышках. Блок питания лампы-вспышки собран согласно схеме, показанной на том же рис.3-5. От электрического источника тока 3 заряжается емкость , 4 – генератор поджога лампы и 5 – инициирующий электрод (инициирует разряд в лампе).

Рубин – это оксид алюминия, у которого некоторые атомы алюминия замещены атомами хрома. Как правило, для лазеров выращивают монокристаллы рубина с примесью по массе 0,05% оксида хрома, когда концентрация атомов хрома равна . Схема уровней ионов хрома в кристаллической решетке оксида алюминия 3-х уровневая (см. рис.3-3). Свет накачки поглощается в канале 1 → 2. Ионы хрома за очень короткое время ( ) переходят либо в состояние 1 под действием спонтанных и вынужденных переходов, или в состояние 3 под действием спонтанных или релаксационных переходов, отдав энергию на нагрев кристаллической решетки. Если в активной лазерной среде отсутствует лазерная генерация, то ион в состоянии 3 будет находиться . При достаточной мощности света накачки может возникнуть состояние, когда . Это необходимое условие возникновения генерации. Достаточным же условием начала генерации света, как ниже будет доказано, является такое состояние лазерного активной среды, когда коэффициент усиления является больше суммарного коэффициента потерь. Если генерация возникла, то она будет продолжаться до тех пор, пока не станет меньше коэффициента потерь.

Подытоживая сказанное, отметим, что не всякое вещество может быть лазерным средой. Необходимо, чтобы уровни в атоме имели благоприятное размещение, благоприятные времена жизни на уровне. Такие вещества необходимо либо найти в природе, или синтезировать.

      Действие возбуждающего света лампы-вспышки создает необходимую для генерации лазерного излучения населенность верхнего лазерного уровня. Итак, мы имеем право записать:

(3.11)

где – мощность светового излучения лампы-вспышки, которое попадает в стержень лазерного среды. Эта мощность называется мощностью накачки и ей пропорциональна разница населенностей уровней. Итак:

                                             (3.12)

где и - коэффициенты пропорциональности, зависящие как от свойств лазерного среды ( ), так и конструкции системы освещения активного стержня, лампы-вспышки и ее системы питания.