Оптический квантовый генератор на кристалле рубина

Первым оптическим генератором света был рубиновый лазер, полученный в 1960 году. В лазерах обычно в качестве активного вещества используется красный рубин с концентрацией ионов хрома 0,05 %. Именно эти ионы и являются активными центрами. Диаграмма энергетических уровней ионов хрома в рубине показана на рисунке 8.4.

Рис. 8.4. Диаграмма энергетических уровней иона Cr³⁺ в рубине

Рубин имеет две основные полосы поглощения: зеленую (  нм) и фиолетовую (  нм). Возбуждение кристалла рубина осуществляется методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. При поглощении излучения накачки в зеленой и фиолетовой полосах ионы хрома переходят из основного уровня на уровни и , которые представляют собой широкие полосы. Часть возбужденных ионов из этих уровней снова возвращаются в основное состояние , а часть (путем безызлучательных переходов) переходит в состояние , которое представляет собой два близко расположенных уровня и .

Вероятность переходов с этих уровней в основное состояние очень мала, в результате чего они имеют большое время жизни (~ 3·10^–3 с). На этих уровнях, называемых метастабильными, осуществляется накапливание возбужденных ионов.

Переходы с уровней и в основное состояние вызывают возникновение двух красных линий люминесценции рубина (  нм,  нм). Под действием кристаллической решетки между уровнями и происходят безызлучательные переходы, которые стремятся установить относительную населенность этих уровней в соответствии с распределением Больцмана. С учетом того, что расстояние между уровнями и мало и их статистические веса равны, населенность верхнего уровня при комнатной температуре мало отличается от населенности уровня .

При помещении рубинового стержня в резонатор генерация возникает только на переходе ( -линия,  нм), вероятность которого несколько больше, чем перехода ( -линия,  нм). Время релаксации частиц между уровнями и очень мало (менее 10^–7 с), поэтому опустошение уровня в связи с переходами в основное состояние сопровождается быстрым притоком ионов с уровня за счет безызлучательных переходов. Поэтому относительная населенность этих уровней значительно не изменится. Это препятствует генерации на линии . По причине оптической ионизации кристалла рубина излучение рубинового лазера имеет линейную поляризацию.

Оптический квантовый генератор на смеси гелия и неона

Активной средой гелий-неонового лазера является смесь газов He и Ne при давлении ~ 130 Па. Парциальное давление Не в несколько раз больше давления Ne. Генерация происходит на спектральных переходах Ne. Гелий используется для того, чтобы получить инверсную населенность уровня Ne.

Рис. 8.5. Энергетические уровни атомов гелия и неона

В газах отсутствуют широкие полосы поглощения, поэтому опти­ческая накачка с помощью ламп, используемых в твердотельных лазе­рах, неэффективна для газовых лазеров. Возбуждение атомов в газовых лазерах осуществляется с помощью газового разряда. При этом в газе возникают ионы и свободные электроны, которые ускоряются электрическим полем, по­лучают кинетическую энергию и при столкновении с нейтральными атомами могут перевести их в возбужденное состояние. Гелий-неоновый лазер был первым газовым лазером, полученным в 1960 году. Он может давать генерацию на следующих длинах волн  нм,  нм,  нм. Упрощенная схема энергетических уровней гелия и неона приведена на рисунке 8.5. Генерация возникает между уровнями неона, а гелий добавляется для увеличения эффективности накачки. Возбуждение атомов неона получается в результате их столкновения с электронами газоразрядной плазмы, обозначенной на рисунке 8.5 пунктирными вертикальными стрелками. При определенном режиме газового разряда этот процесс может привести к инверсной населенности уровней и , что дает генерацию с  нм. Но заселенность уровней и остается неинверсной. Если в газоразрядную трубку добавить гелий, то ситуация меняется. Атомы гелия обладают двумя метастабильными уровнями и . Спонтанный переход с излучением с этих уровней на основной уровень маловероятен, поэтому время жизни атома гелия на уровнях и очень большое. В результате электронного возбуждения на этих метастабильных уровнях накапливается много атомов гелия. Энергия уровней гелия и очень мало отличается от энергии уровней и неона. Поэтому при столкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит резонансная передача энергии от атомов Не к атомам Nе (на рисунке 8.5 показана пунктирными штриховыми стрелками). Утратившие энергию атомы гелия безызлучательно переходят в невозбужденное состояние. Этот процесс приводит к сильному увеличению концентрации атомов неона на уровнях и , и возникает инверсная населенность уровней и , а отличие населенностей уровней и увеличивается в несколько раз.

Поскольку линии  нм и  нм имеют общий верхний уровень , то генерация на длине волны  нм препятствует развитию генерации на линии  нм. Чтобы последнее стало возможно, необходимо подавить генерацию линии 3390 нм. Это достигается, например, в разрядных трубках со стеклянными окошками, которые поглощают НЧ-излучение с  нм.

Рис. 8.6. Принципиальная схема гелий-неонового лазера: А — анод; К — катод

Для эффективной работы лазера необходимо не только эффективная заселенность верхнего уровня рабочего перехода, но и быстрое опустошение нижнего уровня . У Не — Nе-лазера это достигается за счет столкновения атомов Nе со стенками газоразрядной трубки. Для того чтобы столкновения атомов неона со стенками эффективно опустошали уровень , необходимо подобрать оптимальный диаметр трубки лазера. Исследования показали, что максимальная мощность Не — Nе-лазера достигается при диаметре трубки около 7 мм. Мощности гелий-неоновых лазеров небольшие: 0,1 Вт — для излучения с  нм и 1 Вт — для излучения с  нм.

На рисунке 8.6 показана принципиальная схема гелий-неонового лазера. Разрядная трубка 1 длиной 1 м и внутренним диаметром 5 мм имеет два выходных стеклянных окошка 2, расположенных под углом Брюстера. Такое расположение окошек исключает потери на отражение от их поверхностей для излучения с вектором напряженности электрического поля, который лежит в плоскости падения. Излучение лазера имеет линейную поляризацию, соответствующую минимуму потерь на отражение. Возбуждение газовой смеси осуществляется разрядом постоянного тока. В качестве резонатора используются два сферических зеркала 3.