2.3. Классификация лазеров
Функциональная схема лазера представлена на рис.2.4.
Рис.2.4
Модулятор предназначен для изменения одного или нескольких параметров излучения по заданному закону во времени и в пространстве (внесение в излучение полезной информации).
Внешняя оптическая система предназначена для формирования диаграммы направленности излучения.
Лазеры можно классифицировать:
по виду используемого активного вещества (на твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые устройства);
по способам накачки (с оптической накачкой, с электронной накачкой, накачкой инжекцией носителей заряда);
по числу используемых энергетических уровней (двух -, трех-, четырехуровневые устройства).
2.3. Твердотельные лазеры
Это оптические квантовые генераторы, в которых в качестве рабочего вещества ( активной среды ) используют кристаллические или аморфные ( стекло ) диэлектрики. В рабочее вещество внедряют активные примеси. Для создания инверсной населенности используют оптическую накачку в виде излучения:
газоразрядных ламп,
ламп накаливания,
вспомогательного лазера.
Схематическое изображение одного из возможных вариантов ТТЛ приведено на рис.2.5.
рис.2.5
1 – активное вещество,
2 – лампы накачки,
3 – зеркала оптического резонатора,
4 – отражающий кожух.
Первым ТТЛ был
рубиновый лазер, предложенный Мейманом
в 1960 году. Рубин – окись алюминия Al
2 O3
в
кристаллической решетке которого часть
ионов алюминия Al3+
замещена ионами Cr3+.
Роль активного вещества здесь выполняет
хром. Диаграмма энергетических уровней
хрома приведена на рис.2.6. Оптическая
накачка производится облучением
активного вещества ксеноновой лампой.
Ионы хрома поглощают излучения и
переходят из энергетического состояния
E1
в состояние E3,
или из состояния E1
в
E4.
Однако на уровнях E3
и
E4
ион находится
очень короткое время ~5
c,
после чего осуществляет безызлучательный
переход на один из уровней E2
(энергия
этого перехода идет на возбуждение
тепловых колебаний кристаллической
решетки).
рис.2.6
Возможны переходы
E4
E1
и
E3
E1,
но вероятность этих переходов мала по
сравнению с переходами E4
E2
и
E3
E2.
Время жизни ионов
хрома на уровнях Е2(~5
с).
Эти уровни являются метастабильными,
благодаря чему на них идет накопление
ионов. Это приводит к инверсной
населенности уровней Е21
и
Е22
по отношению к уровню Е1,
и, как следствие, к усилению и генерации
на переходах E22
E1
и
E21
E1
с длинами волн
=
0,694мкм и
=0,693мкм.
Излучение с длиной волны
=
0,694мкм имеет значительно большую
интенсивность, чем излучение с
=0,693мкм.
Твердотельные лазеры на рубине работают в импульсном и непрерывном режимах. Из-за проблем охлаждения активного вещества, в основном, используется импульсный режим генерации. Выходная мощность лазера зависит от энергии накачки Ен, длительности импульса и режима генерации. В схеме, изображенной на рис. , удается получить импульсы длительностью ~ 10 –3 с с энергией до нескольких сот джоулей, что соответствует средней мощности в импульсе до сотен киловатт. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации.
Для увеличения мощности в импульсе за счет уменьшения их длительности (локация, дальнометрирование) используется режим модулированной добротности, который состоит в том, что в течение времени накачки из системы генератора исключается обратная связь (разъюстировка зеркал или их перекрытие оптическим затвором). Этот метод позволяет увеличить населенность уровня Е2. С помощью таких лазеров можно получить импульсы длительностью ~ 10 –7…10 –9 с с мощностью в импульсе до нескольких гигаватт.
Рассмотренный вариант ТТЛ представляет собой трехуровневую квантовую систему. Коэффициент полезного действия ТТЛ составляет от доли процента до единиц процентов.