3. Твердотельные лазеры

Первым квантовым света был рубиновый соз-

данный в i960 г. В дальнейшем появилось много др. лазерных материалов, но остается бесспорным факт, что рубин по своим физ. и механич. свойствам был и остается одним из лучших л а-зерных материалов.

Рубин— это твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд — дизлектрич. кристалл окиси алюминия (Al.,0.^). Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов AI в этом кристалле заменяют ионы хрома Сг^ьь+.Содержание атомов О в кристалле невелико (0,05%). В рубине, обычно употребля­емом для Л., на каждый cat³кристалла приходится ок. 10^1уатомов Ct\

дат-Ж

Это составляет примерно одну десятитысячную от полного числа атомов. И тем не менее именно с введением атомов Сг кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. Цвет кристалла обусловлен расположением энергетич. уровней атомов Сг в рубине.

Дно зоны проводимости

В кристалле на атомы Сг действует сильное электрич. поле, создаваемое атомами О и А1. Вклад самих атомов Сг в это поле ничтожно мал, т. к. мала их концентрация. Поэтому взаимодей­ствие атомов Сг друг с другом очень слабо. Их энергетич. спектр соответствует спектру свободного атома Сг, помещенного в сильное электрич. поле кристалла, расщепляющее уровни атома (см. Штарка эффект). Энергетич. спектр Сг в рубине был изучен задолго до

8-

Зеленые фотоны Красные фотоны

создания Л. Рубин уже был при­менен в квантовой электронике для создания квантовых парамаг­нитных усилителей радиодиапа­зона (см. Квантовый усилитель), а еще раньше для исследования люминесценции.

Структура уровней Сг в рубине показана на рис. 6. Из рисунка видно, что имеется основное со­стояние ё\ и два возбужденных состояния 0_2а, ё\б- Это узкие

Рис. 6. Энергетический спектр примес-

сталлического поля. Уровни примесных атомов Сг лежат в запрещенной зоне кристалла, ширина которой велика

аЖГ С^{— д}к^ир^эи^лс^ет^кл^ррикбесцв^тен^отсутн^ствио^е глощает и излучает фотоны, частота к-рых больше частоты видимого света. Хром придает рубину красный цвет.

Верхняя граница валентной зоны иристалло

уровни; переходы между ними и уровнем §_л и используются для генерации света. Основной уровень #₃ в действительности обла­дает сложной структурой, особенности к-рой используются для работы парамагнитных квантовых усилителей и не существенны для работы Л. Наряду с узкими уровнями (эопИ ё^б имеются две сравнительно широкие полосы энергий с?С и о\. Длина волны излучения, соответствующая переходам между уровнями <э» ~+ -> ё\ — 7000А. Это - красный свет. Переходы между уровнями полосы <#₃и уровнем е _глежат в зеленом интервале спектра, а переход

ё°₄ - ё\ - в голубом (см. Рубин).

Если атом Сг возбудить, переведя его из основного состояния в полосу ё°ч или (о л, то за очень короткое время 10 ⁸ сек) он пе­рейдет из этих полос на одни из уровней <о_г. При переходе на уро­вень (о о атом Сг не излучает. Его энергия тратится на возбуждение колебаний кристаллич. решетки рубина. Возможность возвращения атома из полос $._л и ё\ снова на уровень (6 _г хотя и существует, во скорость этого процесса пренебрежимо мала по сравнению со

скоростью перехода атомов на уровни е₂а> ^26• На уровнях #₂

атом «живет» 10"³ сек, что по атомным масштабам является большим

временем. Такое большое время жизни позволяет накапливать атомы на уровнях е?₂, и если достаточно быстро переводить атомы с уровня в полосы (о з или (о ₄, то на уровень <??_а можно перевести более половины атомов. Браком случае уровни ё\ окажутся более населенными, чем уровень <о_г, т. е. возникает инверсия населенности по отношению к переходам с уровней 0_2а и ё\б ^на уровень ё\.

Оптическая накачка. Переход атомов Сг с уровня ё\ на уровни 6°₃ и #₄ можно осуществить, заставляя их поглощать 'свет. Для перевода на них атомов или, как говорят, для накачки рубино- вого Л., можно использовать лампы, подобные м-в с п к а м, применяемым в фотографии, только более мощные. Нетрудно подсчитать минимальную мощность лампы, необходимую для накачки. Рубин содержит ок. 10¹⁹ атомов Сг в см*. Для возбуждения генерации нужно перевести по крайней мере половину этих атомов на уровни т. е. 5 • 10¹⁸ атомов нужно перевести на уровни ё^и₃и с?₄. На перевод каждого атома тратится энергия, равная ё₃— $_г — =4- 10"¹² эрг/атом. Полная энергия равна 2_: 10⁷ эрг/см*.Ио при этом

в состояние

за время, равное или

атомы должны переходить

на уровень ё\ инверсия населенностей не создастся. Т. о., для ра-

см^г кристалла рубина должна

- 10" ³

боты рубинового Л. поглощаться энергия

в каждом накачки ~

2 -10⁷ эре за время

меньшее, чем время жизни At атомов на уровнях ё\ (At ~ 2 • 10 ³ сек). Если переход атомов в возбужденное состояние будет происходить более медленно, то из-за спонтанных и релаксационных переходов

сек.

Это означает, что поглощаемая мощность 2 кет на 1 см^ъ. При объеме кристалла в 10 см³ необходимая мощность накачки равна 20 кет. Коэфф. использования световой энергии лампы-вспышки составляет 10—15% (см. ниже). Поэтому полная мощность лампы должна быть — 200 кет, что достигается сравнительно легко.

Перевести атомы Сг с помощью накачки непосредственно с уров­ня (о\ на уровни со ₂ нельзя. Выше уже отмечалось, что свет вызывает в веществе одновременно два процесса: поглощение света не­возбужденными атомами и вынужденное испускание его возбужден­ными атомами. Если оба процесса происходят между двумя одина­ковыми уровнями, то они протекают с одинаковой скоростью (см. Квантовый переход). Поэтому максимум того, что может в этом случае сделать накачка — это уравнять населенности (см. Насы­щения эффект). В действительности же имеется еще и спонтанное излучение, к-рое склоняет чашу весов в пользу уровня с меньшей энергией. Т. о., в двухуровневой системе под дей­ствием световой накачки получить инверсию населенностей нельзя. Необходим третий уровень как своеобразный «перевалочный пункт» (см. также Квантовые усилители).

Наличие широких полос в спектре ионов Сг⁺⁺⁺ в рубине явля­ется „третьим уровнем" - благоприятным обстоятельством для соз­дания Л. Теоретически, конечно, можно было бы воспользоваться и узким третьим уровнем, но практически — нельзя. Лампа-вспышка испускает свет, близкий к белому, т. е. с широким спектром частот. Во всем этом широком частотном интервале мощность лампы может быть весьма значительной, но если из спектра лампы «вырезать» фильтром узкий интервал, то мощность излучения в малом спектраль­ном интервале окажется малой. В таких случаях говорят, что ламна

ЛАЗЕР 99

С др. стороны, переход атомов Сг из широких полос (о

обладает малой спектральной плотностью света, к~рая соответ­ствует спектральной плотности теплового излучения тела, нагре­того до темп-ры 8000—10 ООО К. Чем больше полоса поглощения атомов в кристалле, тем большая часть световой энергии, испуска­емой лампой, используется. Энергетич. полосы Сг в рубине поз­воляют использовать 15% света лампы-вспышки. Узкие энергетич, уровни дали бы возможность использовать лишь доли процента.

и (о^

на узкие уровни со ₂ дает возможность концентрировать атомы в небольшом интервале энергии, что улучшает степень монохрома­тичности генерируемого света. Из сказанного ясно, что система уровней Сг в рубине весьма благоприятна для создания Л. с по­мощью накачки мощной лампой-вспышкой.

Выше было показано, что минимально необходимая мощность лампы-вспышки для возбуждения генерации определяется необ­ходимостью перекачать по крайней мере половину всех атомов (5 -Ю¹⁸ атом/см*) в возбужденное состояние. В действительности же нужно перекачать большее количество частиц. Разность числа частиц AiV — No — (ч и с л о активных частиц) дол­жна превзойти нек-рое пороговое значение AN_n, необходимое для компенсации потерь электромагнитной энергии в сис­теме (рассеяние и поглощение света зеркалами, а также излуче­ние света наружу), в самом же рубине эти потери невелики. При коэфф. отражения от зеркал ^ 90% и длине кристалла ^ 10 см пороговое значение разности AiV_n^ 10¹⁷ атомов/см?. Это озна­чает, что к половине атомов Сг, переведенных на верхний уровень (5 — 3-10¹⁸ атомов/см²), нужно добавить еще лишь неск. про­центов от общего числа частиц, чтобы началась генерация. Поэтому вычисленное ранее значение мощности лампы-вспышки практически достаточно для получения генерации в реальном Л.

Рубиновый лазер схематически изображен на рис. 7. Рубиновый стержень помещается между зеркалами З_г и 3₂. Лампы-вспышки Л₁

Рис. 7. Простей-¹н^ио^ево^тио^пл^Ьаз^ре^уба^и.^-

и Л"₂, осуществляющие накачку лазера, размещаются либо вдоль рубинового стержня (рис. 7, а), либо лампа в виде спирали Л

^orl ^ЛаЖн^Уов^_й стержень Р и лам­па Л ^{расположены} в фокальных линиях отражателя — эллип-тич еек о го цилиндр а.

окружает стержень (рис. 7, б). Рубиновый стержень и лампы ок­ружаются отражающим кожухом для лучшего использования

100 ЛЛШВР

света ламп. Генерация света развивается в пространстве между геркалами вдоль кристалла рубина. ^Р

Часто в качестве отражателя применяется эллиптич. цилиндр (рис. 8), в одной фокальной линии к-poro помещается лампа-вспыш­ка Л, _а в другой - рубиновый стержень Р. Эллиптич. цилиндр фо­кусирует свет лампы на кристалл Р. Этим достигается более эффек­тивное использование света накачки. Иногда для увеличения энергии на­качки вместо одной лампы приме­няют две или четыре. В таком случае используются совмещенные эллиптич. отражатели (рис. 9).

К сожалению, не вся энергия,

поглощенная рубиновым стержнем,

превращается в излучение Л. Часть ее, и довольно значительная (~50%),

тратится на нагревание стержня.

Под действием тепла рубиновый стержень изменяет свои геометрии, и оптич. характеристики, быть может не заметные глазу, но весьма ощу­тимые при работе Л. При нагрева­нии стержня число частиц в поло­се 3, равновесное с рабочим^ уров­нем (о ₂, возрастает и приток частиц на уровень б₂ в результате накачки компенсируется уходом частиц с уровня (о з на 0\за счет релаксации и излучения. Этим обуслов­лено существование предельной темп-ры, выше к-рой Л. перестает работать. Для рубина она — 1000 К. Поэтому в нек-рых конструк­циях Л. предусматривается охлаждение кристалла проточной во­дой и даже жидким азотом. Для этого стержень рубина помещается в стеклянный сосуд, в к-ром циркулирует охлаждающая жидкость (рис. 10).

Лампа

Рис. 10. Рубино­вый лазер с ох­лаждением.

С тер тень рубина

^ТУ ^Зерноло

Зерно, л о

у,

Режимы работы рубиновых лазеров. Наиболее распространен импульсный режим работы: лампа-вспышка выдает импульс света длительностью сек. В соответствии с этим рубиновый Л. из­лучает импульс когерентного света длительностью несколько мень­шей, чем Ю~³ сек. Последнее связано с тем, что нужно нек-рое время для создания инверсии населенности, после к-рой начина­ется генерация. Генерация будет длиться до тех пор, пока интен­сивность света лампы-вспышки не станет меньше величины, уже недостаточной для поддержания генерации. На самом деле лазер­ный импульс (пунктир, рис. 11) имеет сложную структуру, он сос­тоит из множества отдельных импульсов длительностью до 10 ⁶ секс интервалом между ними 3*10"° —- 10 ¹ сек (рис. 11). Скорость повторения вспышек Л. зависит от охлаждения рубинового кри­сталла и может быть доведена до неск. дес. в 1 сек. В таком режиме мощность рубинового Л. в импульсе может достигать дес. кет при длине стержня в 20—25 см и диаметре 1,5 см.

Время

лаз

— длительность генерации лазера.

Казалось бы, что существенно повысить мощность рубинового Л. невозможно. Значительно увеличить интенсивность света, излуча­емого лампой, сложно. Кроме того, это может привести к пере­греву и разрушению рубинового стержня. Однако был найден весьма

остроумный метод повышения мощности рубинового Л. за счет

уменьшения длительности генерируемых импульсов. Подсчитано, что если перевести не половину, а большую часть атомов Сг в ру­бине на уровни ё°2, оставив уровень ё°₁ практически пустым, то им­пульс света в рубиновом стержне длиной в 10—20 см мог бы раз­виться за время ~ 10"² сек, что повысит мощность Л. до неск. Мет.

С помощью существующих ламп-вспышек «перекачать» все атомы на уровень Й°₂было бы легко, если бы в рубине не возникала генерация. Лампа-вспышка легко переводит атомы Сг в возбужден­ное состояние до тех пор, пока не возникает инверсия населенностей,

т. е. превышение числа возбужденных атомов над невозбужденными.

Однако уже при небольшом превышении начинается генерация. Она-то я препятствует переводу всех атомов в возбужденное сос­тояние: генерация, начинающаяся сразу же после того, как чуть

больше половины атомов Сг переведено в возбужденное состояние,

«сбрасывает» атомы снова в основное состояние. Процесс сброса возбужденных атомов Сг в основное состояние в режиме генерации происходит столь интенсивно, что с ним лампа-вспышка справиться

не может.

Перекачку всех атомов можно осуществить, если на нек-рое время убрать из системы обратную связь, т. е. отключить зеркала, устранив тем самым возможность генерации. После этого можно перекачать атомы Сг в возбужденное состояние ё°₂, в к-ром они

будут находиться в течение 0,002 сек. За это время нужно успеть вновь включить зеркала и получить мощную вспышку'Л

Практически задачу быстрого включения и выключения зеркал удалось решить рядом методов. Наибольшее распространение получили три из них. Первый метод состоит в том, что рубиновый стержень, накачиваемый лампами-вспышками, помещается между неподвижным зеркалом 3 и вращающейся призмой Я, укрепленными на оси мотора (рис. 12). При произвольном положении призмы (рис. 12, а) в Л. нет обратной связи: лучи, отражаясь от граней призмы, выходят из системы, генерация отсутствует. В эти моменты происходит накачка рубинового стержня лампой-вспышкой, т. е. переброс частиц с уровня (о₁ в полосы ё°₃ и ё\ и через них на уровни ® 2- Рис. 12, б демонстрирует то единственное положение призмы при ее вращении, когда отраженные лучи опять попадают в стержень рубина. К этому моменту перекачка частиц с уровня $°₁ на уровни $ должна быть закончена и начинается быстрое развитие генерации Призма при этом продолжает быстро вращаться, но лазерный _им.

Рис. 12. Включение и

выключение обратной связи в лазере с помощью вращающейся ^призмы Я: 3 — неподвижное зерка­ло; Р — рубиновый стер­жень; Л — лампы накач­

Q

_л

_Л

б - обратаа^связ^вЖ чена.

_Л

пульс успевает развиться за столь малое время, что призма успе­вает существенно изменить свое положение. После высвечивания запасенной энергии Л. снова готов к накачке. Оказывается, что отключение зеркала или призмы не исключает полностью обратную связь. Т. к. показатель преломления п рубина и воздуха резко различны (у воздуха %озд = 1, у рубина я_р — 1,8), то на границе

Выше отмечалось, что при мгновенном включении обратной связи (Ю ⁹ сек) импульс света может развиться за 10"⁸ — 10"^{9 сек}-Если же обратная связь включается за более длинный промежуток времени (10 сек), то длительность импульса определяется уже временем включения обратной связи. Чтобы пояснить это, пред-

_Л

ставим себе, что мы переливаем воду из бутылки в др. сосуд через воронку. Минимальное время, необходимое для этой операции, зависит от ширины горлышка воронки. Однако, если горло бутылки, из к-рой вытекает вода, уже горла воронки, то время переливания будет зависеть от ширины горла этой бутылки. В нашем случае время протекания воды через воронку — это время развития им­пульса при мгновенном включении обратной связи (мгновенное

заполнение воронки водой); время включения обратной связи — время вытекания воды из бутылки. Такой затвор в виде враща­ющейся призмы весьма прост, но имеет серьезные недостатки — им трудно управлять и, кроме того, он дает малую скорость вклк»-

чения обратной связи.

Более быстрое включение обратной связи осуществляется! с помощью затвора в виде К ер р а ячейки. Стеклянная кювета,, заполненная нитробензолом, помещена между обкладками электрич. конденсатора. Под действием электрич. поля конденсатора нитрон-бензол приобретает способность изменять поляризацию света:, поворачивать направление векторов электрического и магнитного» поля светового луча (см. Керра эффект). Если на пути луча ру­бина поставить поляроид - пластинку, поглощающую свет той поляризации, к-рой обладает излучение рубина, и пропускающую свет с перпендикулярной поляризацией, то свет не будет достигать зеркала и обратная связь в системе будет выключена. Если же по­дать напряжение на обкладки конденсатора (рис. 13), то ячейка*

Зерноло-

_I

ч^Р_е^Ин^Сия¹³ и ^Св^Хйю= ^ обратной связи с по­мощью затвора в виде ячейки Керра.

Нитробензол

Поляроид I

Керра, помещенная между стержнем рубина и поляроидом, по­вернет плоскость поляризации на иек-рый угол, зависящий от длины кюветы. Подбирая длину ячейки и напряжение, можно до­биться поворота плоскости поляризации на 90°. Такой луч пройдет через поляроид, достигнет зеркала и отразится, т. е. обратная связь будет включена. Т. о., пока выключено напряжение на обкладках конденсатора, обратная связь в системе отсутствует и лампа может накачивать рубиновый кристалл. В момент, когда инверсия до­стигнет максимума, подается напряжение на обкладки конденса­тора, в результате чего включится обратная связь и Л. выдает мощный импульс света. Время включения обратной связи с помощью ячейки Керра мало (10'⁸ сек), поэтому и длительность светового импульса Л. ~ 10 ⁸ сек.

Затвор в виде ячейки Керра удобен также и тем, что он поз­воляет управлять мощностью лазера. Подавая на конденсатор им­пульс напряжения в разные моменты относительно включения лампы-вспышки, можно получать импульсы света разной дли­тельности и мощности. Можно регулировать также и скорость включения затвора. Вместо ячейки Керра может быть использо­вана Поккельса ячейка, работающая по тому эде принципу, но г, анизотропным кристаллом вместо жидкости в электрическом поле (см. Двойное лучепреломление). На практике используются вра­щающиеся призмы и ячейки Керра и Поккельса, Фарадея эффект и ряд др. методов.

Большое распространение в качестве затвора получили также насыщающиеся фильтры, прозрачность к-рых возра­стает с увеличением интенсивности света, проходящего через них

(см. Нелинейная оптика). При малых мощностях света фильтр, помещенный вместо ячейки Керра, поглощает свет, почти устра­няя обратную связь. С увеличением населенности верхнего уровня возникает слабая генерация, к-рая несколько уменьшает погло­щение фильтра. Это увеличивает обратную связь и ведет к возник­новению световой «лавины», к-рая по мере нарастания все более

просветляет фильтр. Возникает мощный импульс излучения, как

и в случае использования других затворов. Т. к. по мере спадания мощности затвор быстро восстанавливает свои поглощающие свой­ства и вся система работает автоматически, то в течение длитель­ности вспышки накачки генератор с просветляющимся фильтром может генерировать серию импульсов.

Л. с быстрым включением обратной связи позволяют получить большую мощность. Энергия импульса, снимаемого с кристалла рубина длиной в 20 см и диаметром в 1,5 см, составляет 1-2 дж при длительности импульса 10~⁷ — 10"⁸ сек. Это означает, что мощность, развиваемая таким Л., может достигать 100 кет. Даль­нейшее повышение мощности импульса света может быть достиг­нуто за счет усиления луча в каскаде неск. последовательно распо­ложенных Л. При этом первый Л. в каскаде должен служить ге­нератором света, остальные должны работать в режиме усиления, они являются оптическими квантовыми усилителями (ОКУ).

В этом случае, помимо усиления, может быть достигнуто и сок­ращение длительности импульса при достаточно крутом переднем

фронте импульса света. Если мощность генерируемого импульса достаточно велика, то уже небольшой его части, близкой к пе­реднему фронту, достаточно, чтобы вызвать вынужденные пере­ходы всех возбужденных атомов Сг в рубине усилителя, т. е. чтобы забрать из кристалла усилителя всю запасенную в нем энергию, накаченную лампой-вспышкой. Оставшаяся часть импульса будет распространяться в кристалле, где уже нет инверсии населенности. Но в таком кристалле будет происходить рассеяние света (хотя, может быть, и небольшое), обусловленное различными дефектами кристаллической решетки. За счет этих потерь задняя часть им­пульса начнет уменьшаться, что приведет к сужению импульса (рис. 14).

Если же импульс имеет пологий фронт, то усиление всего фронта не только не приведет к сужению, а наоборот, может привести к уши­рению импульса. Импульс света, генерируемый реальными Л.,

имеет большую пологую переднюю часть, крутым

нарастанием (рис. 15, а); для сужения импульса перед усилителем ставят 2-ю ячейку Керра, к-рая открывается позже 1-й настоль­ко, чтобы срезать пологую переднюю часть импульса (рис. 15, б).

Таким путем удалось получить гигантские и м и у л ь-с ы света длительностью в 2 • Ю^сек при полной энергии импульса

20 что соответствует мощности 9-10» вт. Эта мощность

превосходит мощность самых больших электростанций мира.

Зерна по

показал, что этот импульс длительностью 10"⁸ сек состоит из серии импульсов, длительность к-рых может составлять 10¹¹—10¹² сек.

л^Ро^игого¹⁵пер^Ое^бд^рн^ее^зо^ни|р^пн^-та импульса, необхо­димое для его сужения.

^{из -те-ген^}

на входе лазера-усили­теля.

б

Выделение одного такого импульса с последующим его усилением позволило получить мощность ^10¹³ em (см Сверхкороткие им­пульсы)