3.2. Оптическая накачка [1, 2]

В случае оптической накачки свет от мощной некогерентной лампы с помощью соответствующей оптической системы пере­дается активной среде. На рис. 3.1 представлены три наиболее употребительные схемы накачки. Во всех трех случаях актив­ная среда имеет вид цилиндрического стержня, как это обычно встречается на практике. диаметр может быть от несколь­ких миллиметров до нескольких сантиметров, а длина — от не­скольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Ла­зер, очевидно, может работать в импульсном или в непрерыв­ном режиме, в зависимости от того, является ли лампа накачки импульсной (лампа-вспышка) или непрерывной. Изображенная

Рис. 3.1. Наиболее широко используемые системы оптической накачки.

на рис. 3.1, а лампа имеет форму спирали; при этом свет попа­дает в активную среду либо непосредственно, либо после отра­жения от зеркальной цилиндрической поверхности (указанной на рисунке цифрой 1). Такая конфигурация использовалась при создании первого рубинового лазера и до сих пор иногда при­меняется для импульсных лазеров. На рис. 3.2, б лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа , радиус и длина которого приблизительно те же, что и у активного стержня. Лампа раз­мещается вдоль одной из фокальных осей F\ зеркально отра­жающего эллиптического цилиндра (отмеченного на рис. 3.1, б цифрой 1), а лазерный стержень располагаются вдоль другой фокальной оси F₂. Хорошо известное свойство эллипса состоит в том, что луч F\P, выходящий из первого фокуса F\, проходит после отражения от эллиптической поверхности через второй фокус F2 (луч PF-Л. Это означает, что большая часть света, из­лучаемого лампой, благодаря отражению от эллиптического цилиндра попадает в лазерный стержень. На рис. 3.1, в изобра­жен пример так называемой конфигурации с плотной упаков­кой. Лазерный стержень и линейная лампа располагаются как

можно ближе друг к другу и плотно окружаются цилиндриче­ским отражателем (указан на рис. цифрой 1). Эффективность конфигурации с плотной упаковкой обычно ненамного ниже, чем в случае эллиптического цилиндра. Заметим, что часто вме­сто зеркально отражающих рефлекторов в схемах на рис. 3.1, а и в применяют цилиндры, изготовленные из диффузно отражаю­щих материалов (таких, как спрессованные порошки MgO или BaS0₄ или белая керамика). Заметим также, что применяются и сложные типы осветителей, в конструкции которых использо­ваны более чем один эллиптический цилиндр или несколько

ламп в конфигурации с

плотной упаковкой. На Сш^рж^енъ

₆

_а

рис. 3.2 представлены два возможных примера та­кой конфигурации. Осве­тители с несколькими лампами дают более низ­кий КПД, чем соответ­ствующие конфигурации с одной лампой, показан­ные на рис. ЗЛ, б и в. Тем не менее их нередко при­меняют в системах высо­кой мощности (или высо­кой энергии). В импульс­ных лазерах используют

ксеноновые или криптоновые импульсные лампы при давле­ниях Хе или Кг от среднего до высокого значений (450— 1500 мм рт. ст.). Световой импульс в этом случае создается разрядом через лампу электрической энергии, запасенной в батарее конденсаторов (заряженной соответствующим источ­ником питания; рис. 3.3.). В электрическом контуре для умень­шения времени нарастания тока часто используется последо­вательно включенная катушка индуктивности. Разряд может возбуждаться при ионизации газа, заполняющего лампу, путем подачи высоковольтного импульса поджига на вспомогательный электрод вокруг лампы (параллельный поджиг; см. рис. 3.3,а). В другом способе предварительная ионизация может быть соз­дана с помощью высоковольтного импульса, приложенного не­посредственно к двум основным электродам лампы (последова­тельный поджиг; см. рис. 3.3, б). Как только газ в лампе иони­зован, происходит интенсивная вспышка света, длительность кото­рой определяется емкостью и индуктивностью контура, а также импедансом лампы (обычно длительность вспышки варьируется от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд).

В непрерывных лазерах наиболее часто применяют крип­тоновые лампы высокого давления (1—8 атм) или воль­фрам-йодные лампы. Питание постоянным током осуществ-

Источник ^ питания^)

-ППГР—I /Лампа L

Шпулъс

_V ^поожиш

-4г

_а

1м

источник

/К Импульс \У л од жиг а

₆

Электрическое возбуждение импульсной лампы с использованием

Рис, 3.3. внешней

системы под ж и га

(а)

и системы с поджига (б).

последовательным включением

_АЛЛА

ляется от источника через подходящее балластное сопротивление (рис. 3.4). В этом случае для создания необходимой начальной степени ионизации к схеме должен быть подведен электриче­ский импульс поджига, как правило, от последователь­но включенного поджигаю­щего устройства.

Для того чтобы лучше

Источник (\

почувствовать условия, ко­торые имеют место на прак­тике, приведем на рис. 3.5, а два спектра излучения ксе-

Рис. 3.4.

Электрическое возбуждение

непрерывной лампы.

ноновой импульсной лампы накачки, работающей при

типичных плотностях тока, а на рис. 3.5, б представим спектры поглощения ионов Nd³⁺ в кристалле Y₃AlsOi2(Nd : YAG) и ионов Сг³⁺ в кристалле ВеА1₂0₄ (александрите). В обоих случаях это примесь, присут­ствующая в кристаллической матрице как трехвалентный ион,

который поглощает падающий свет и который играт роль актив­ного элемента. Для сравнения приведем на рис. З.б спектр излуче­ния непрерывной криптоновой лампы с плотностью тока / = = 80 А/см² (типичная рабочая плотность тока криптоновой лампы несколько выше, а именно / ж 150 А/см²). Заметим, что

О

в непрерывной лампе, в которой плотность тока существенно ниже, излучение сконцентрировано в линиях криптона, сильно уширенных вследствие высокого давления газа. В импульсной лампе плотность тока значительно выше, поэтому в ее спектр входит еще и широкая непрерывная компонента, обусловленная рекомбинационным излучением (рекомбинация ионов и электро­нов), а также тормозным излучением электронов, которые рас­сеиваются ионами при столкновениях. Таким образом, считает­ся, что непрерывная составляющая пропорциональна произве­дению N_eNв то время как интенсивность линий излучения пропорциональна N_e, где N_e и Л^г< — плотности соответственно

* 8

т" *

|1

_80А/ш^г

4h

5:

•о

ft;

Ob:

500

600

700

8ОО

_UI

900

Рис. 3,6, Спектр испускания непрерывной дуговой криптоновой лампы (вну­тренний диаметр 6 мм, длина дуги 50 мм, давление газа 4 атм, входная

мощность 1,3 кВт). (1LC Bulletin 3533).

электронов и ионов в разряде. Поскольку в нейтральном раз- ряде N_e ж Ni ~ /, то в первом приближении непрерывная ком- понента спектра пропорциональна Я, в то время как линейча- тый спектр пропорционален Л Из сравнения рис. 3.5, б с рис. 3.5, а и 3.6 следует, что относительно широкие спектры ионов как Nd³⁺, так и Сг³⁺ позволяют достаточно полно исполь- зовать свет, испускаемый импульсной лампой, а также, как в случае кристалла Nd³⁺:YAG, и свет от непрерывной лампы. Заметим, что спектр поглощения редкоземельного элемента вроде Nd меняется незначительно от матрицы .к матрице, по- скольку при таком поглощении происходят пере- ходы между внутренними оболочками атома. Поэтому спектр кристалла Nd³⁺: YAG можно рассматривать как типичный при- мер спектров других материалов, легированных неодимом, на- пример широко используемое стекло с неодимом (ионы Nd³⁺ в стеклянной матрице). В случае когда используются примес- ные ионы переходных металлов, такие, как ионы Сг³⁺, где спектр определяется переходами внешних электронов, материал матрицы оказывает большее влияние на спектр. Однако спектр александрита похож на спектр рубина (Сг³⁺ в кристалле

А1₂0з) — материала, который с самого начала развития лазеров играет важную роль и до сих пор широко используется. Заме­тим также, что спектр поглощения другого материала, а именно Cr : Nd : GSGG (когда оба иона Nd*+ и Cv^ присутствуют в ка­честве примеси в кристалле Gd₃Sc2Ga₃0i2, причем Nd³⁺ играет

роль активного иона), который становится все популярнее, бо­лее или соответствует суперпозиции спектров кристаллов

Nd ; YAG и александрита (скорректированных с учетом относи­тельных концентраций обоих ишов в кристалле).