Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

231

λmin= 380 нм и λmax= 780 нм Кλ ®0 (это фиолетовая и красная границы видимой области света).

Наряду с яркостью для описания энергетических характеристик лазерного излучения часто используют такие понятия как мощность излучения (непрерывная, импульсная) и энергии излучения, которая характеризует энергию, переносимую световым потоком, и применима обычно к импульсным лазерам. Энергия излучения определяет энергию электромагнитного поля в одном лазерном импульсе. Но энергетическая яркость лазерного излучения часто является более важной характеристикой, чем мощность, энергия и интенсивность излучения. Это связано с тем, что во многих практических случаях интерес представляет интенсивность, которую можно получить при фокусировке лазерного излучения линзой. А эта величина пропорциональна яркости пучка.

Существенным является то, что хотя интенсивность пучка можно увеличить (за счет фокусировки), его яркость при этом остается неизменной. Если, например, уменьшить диаметр лазерного пучка от d1 до d2 с помощью линз, фокусы

Характеристики излучения лазера, Основными техническими харак-

теристиками лазера, определяющими возможности использования их в конкретных системах, являются: [2]

1) рерывном режиме.

Мощность излучения твердотельных и жидкостных лазеров в непрерывном режиме невелика и составляет примерно 10 милливатт, а в импульсном режиме больше 100 ГВт при τи рав-

ным неДлина волны или частота излучаемых электромагнитных колебаний. Современные лазеры генерируют в диапазоне частот 1,3×1015¸5,57×1011 Гц. Использование колебаний высокой частоты позволяет применять антенны сравнительно малых размеров и передавать информацию в широкой полосе частот (до 1012 Гц). Именно поэтому информационная емкость оптических систем связи может быть, на несколько порядков выше емкости радиотехнических систем.

2)Мощность излучения в непрерывном или импульсном режиме. Импульсный режим обычно характеризуется длительностью импульса tи, частотой следования импульсов Fи, средней мощностью Рср=Ри τи Fи и энергией излучения в импульсе Wи= Ри τи. Мощность излучения большинства газовых лазеров в непрерывном режиме составляет единицы - десятки милливатт, а в импульсном режиме

– сотни ватт – единицы киловатт. В последнее время мощность излучения газовых лазеров достигает десятков киловатт и в непскольким наносекундам.

Мощность, излучаемая полупроводниковыми лазерами колеблется в пределах сотни милливатт - единицы ватт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 100 кВт в импульсном режиме. Достигнутая энергия излучения в импульсе у твердотельных и жидкостных лазеров больше 1000Дж. Столь значительная энергия концентрируется обычно в небольшом объеме, что позволяет использовать лазер в сис-

232

темах связи с чрезвычайно удаленными объектами, в установках для сварки самых тугоплавких материалов и для других целей. Так, если сфокусировать излучение мощностью109Вт в пятно диаметром 10-2 мм, то плотность мощности составит 1015Вт/см2. При воздействии мощности такой плотности любой материал немедленно испаряется.

3)Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия лазера, как и любого другого генератора определяется отношением излучаемой

мощности к мощности накачки η = Pизл / Pнакачк (выражается в процентах).

η – большинства газовых, твердотельных, жидкостных лазеров составляет доли процента. Однако, лазер на СО2 обладает достаточно большим η ≈ 30-40%, полупроводниковые лазеры могут обеспечить η > 50% [2].

233

ГЛАВА 9.

ОПТИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

9.1.Устройство твердотельных генераторов

Современный лазер, в котором в качестве активного вещества используется твердое тело состоит из активного элемента 1 (см. рис. 9.1.), системы накачки 2, резонатора 3, системы охлаждения 4.

1

3

Блок питания лампы накачки

4

2

Рис. 9.1.Схема оптического квантового генератора на твердом теле

Рассмотрим наиболее характерные свойства основных элементов твердотельного лазера.

Активный элемент. В первых твердотельных лазерах, в качестве активного элемента, применялись кристаллы синтетического рубина. Al2O3 с примесью трехвалентных ионов Cr3+. Введение ионов Cr3+ в рубин придает ему красный цвет. Содержание ионов хрома в рубине обычно не велико (0,05%).

В кристалле на атомы Cr действует сильное электрическое поле, создаваемые атомами O и Al. Вклад самих атомов Cr в это поле мал, так как мала их концентрация. Поэтому взаимодействие атомов Cr друг с другом слабо. Их энергетический спектр соответствует спектру свободного атома Cr, помещенного в сильное электрическое поле кристалла, расщепляющее уровни атома (эффект Штарка) на

ряд уровней 4A2, 4F1, 4F2. (рис. 9.4).

В настоящее время рубиновые лазеры вытесняются неодимовыми. Генерационные возможности материалов, используемых в качестве активных

сред, в большой степени зависят от способности этих материалов поглощать подводимую энергию накачки. Чем больше поглощается энергии накачки в нужной

234

полосе спектра, тем большую энергию излучения можно получить, тем более высоким будет к.п.д. активной среды.

Важнейшим свойством, характеризующим активные элементы лазеров, является способность их к длительной работе. Наиболее долговечным является гранат, который может обеспечить до миллиона и более вспышек, в то время как рубин в режиме модулированной добротности выдерживает всего несколько десятков тысяч вспышек.

Элементы системы накачки. В системе накачки твердотельного лазера можно выделить три основных элемента:

а) Лампа накачки, световое излучение которой обеспечивает создание инверсии населенности рабочих уровней активного вещества;

б) Осветительная система, с помощью которой излучение лампы с минимальными потерями передается в лазерный кристалл;

в) Электрическая схема блока питания лампы накачки.

Рассмотрим кратко характеристики практически используемых элементов лампы накачки и осветительной системы.

. К лампам накачки предъявляются следующие требования:

1)Они должны обладать высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую;

2)Хорошим согласованием спектра излучения со спектром поглощения активного элемента;

3) Важнейшими параметрами лампы накачки являются: предельная энергия вспышки, которую лампа может выдержать без разрушения оболочки, и постоянная величина, определяемая эмпирическим соотношением [17].

(С И40/l3)пред=k,

где С – емкость конденсатора, разряжающегося через лампу; U0 – рабочее напряжение лампы накачки; l – длина разрядной трубки лампы накачки; k – постоянная, зависящая от конструктивных особенностей лампы накачки.

Основными источниками накачки твердотельных лазеров являются газоразрядные лампы, которые имеют максимум излучения в видимой области спектра.

Из газоразрядных ламп более широкое распространение получили импульсные ксеноновые газоразрядные лампы. Эффективность преобразования электрической энергии в световую для таких ламп может достигать 50%. Однако на спектральную область, где расположены линии поглощения активного элемента, например, рубина, приходится менее 30% излучаемой энергии. Остальная энергия является бесполезной и даже вредной, так как она затрачивается на нагревание активного элемента, оболочки лампы накачки и осветителя. Отсюда вытекает неполное соответствие спектра излучения источника накачки спектру поглощения активного тела.

Для накачки рубиновых лазеров, работающих в непрерывном режиме, применяют ртутные капиллярные лампы сверхвысокого давления, спектр излучения которых хорошо согласуется со спектром поглощения рубина. Лампы такового типа характеризуются очень высокой яркостью излучения и в номинальном режиме способны отдавать до 600Вт/см с единицы длины разрядного промежутка.

Как указывалось выше, использование в качестве источника накачки специальных ламп, имеющих широкий спектр излучения .приводит к тому, что лишь часть этого излучения приходится на полосы поглощения активных элементов.

235

Остальная часть энергии расходуется на нагрев оболочки лампы накачки, осветителя, активного элемента, что приводит к целому ряду нежелательных явлений (увеличению порога генерации, расходимости пучка излучения и т. д.). Что вызывает необходимость применения охлаждения системы. Более оптимальным является использование узкополосных источников накачки, спектр излучения которых совпадает с полосой поглощения активного элемента.

В настоящее время в качестве таких источников стали применять светодиоды некогерентного излучения на основе тройных соединений типа GaAs1-xPx.

Осветительная система. Сопоставление спектров поглощения активных элементов и спектров излучения ламп накачки показывает, что коэффициент использования излучения импульсных ламп в лазерах мал. Для обеспечения эффективной передачи энергии вспышки лампы накачки активному элементу используют специальные осветители или отражатели. Внутренняя поверхность отражателя полируется и покрывается отражающим материалом (серебром, золотом). Для исключения ненужного спектра излучения лампы накачки, используются также диэлектрические интерференционные покрытия. Наиболее широкое применение находят осветители на основе эллиптического цилиндра (см. рис. 9.2а).

ЛН

Рис. 9.2. Отражатели эллиптические (а), полиэллиптические (б)

В основе работы этого осветителя лежит свойство эллипса, состоящее в том, что всякий луч, проходящий через одну из фокальных осей эллипса, после отражения от его поверхности, обязательно пройдёт через вторую фокальную ось. Таким образом, если активный элемент расположить вдоль одной фокальной оси, а лампу накачки вдоль другой, то большая часть светового потока лампы, отражаясь от поверхности осветителя, собирается в другой фокальной оси, где расположен активный элемент. Еще большая концентрация энергии на элементе получается в полиэллиптическом отражателе (см. рис. 9.2б). Такие отражатели используются, если в качестве источника применяют стержневые лампы. Более полную информацию об осветителях можно найти в [13, 17].

238

Nd:YAG-лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются ксеноновые лампы среднего давления (4-6 атм.) соответственно. Размеры стержней обычно такие же, как и в случае рубина. Выходные параметры Nd:YAG- лазера могут быть сведены к следующим:

1) в непрерывном режиме выходная мощность без усилителя до 150 Вт и после одного каскада усиления до 700 Вт; 2) в режиме модулированной добротности выходная мощность до 50 МВт; 3) в режиме синхронизации мод длительность импульса до ~20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме тангенциальная эффективность составляет около 1÷3%. Nd:YAG-лазеры широко используются в различных областях, таких, например, как обработка материалов, измерение расстояний и лазерная хирургия. Размеры стержня из стекла с Nd3+ могут значительно превышать размеры стержня из Nd:YAG (и могут достигать 1 м в длину и нескольких десятков см в диаметре). Благодаря значительно более низкой температуре плавления стекло получить гораздо легче, чем кристаллы YAG. Лазер на стекле с неодимом можно применять вместо Nd:YAG-лазера во всех экспериментах, где требуется достаточно низкая частота следования импульсов, при которой не возникало бы проблем, связанных с низкой теплопроводностью стержня. Очень важное применение стекол с неодимом – это применение их в качестве усилителей в лазерных системах для получения очень высокой энергии в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу. В настоящие время уже создана лазерная система на основе стекла с неодимом, дающая импульсы с пиковой мощностью более 20 ТВт и полной энергией ~15 кДж и более [12,15,17].

9.4.Режимы работы твердотельных лазеров. Основные уравнения

Для работы твердотельных лазеров характерны следующие режимы работы:

1)Непрерывный режим генерации.

2)Режим свободной генерации (в простом резонаторе при накачке от лампы

-вспышки). При этом генерируется световой импульс длительностью несколько сотен микросекунд.

3)Режим с модуляцией добротности. Здесь лазер генерирует импульсы длительностью от единиц до десятков наносекунд. Мощность импульса достигает до сотен МВт.

4)Режим синхронизации мод. В этом случае генерируется целая последовательность импульсов. Длительность каждого импульса достигает 10 пикосекунд. Частота повторения этих импульсов порядка 100 МГц. Мощность этих импульсов (пиков) велика.

Используя кинетические уравнения (6.3), приведем их к виду удобному для описания режимов работы твердотельных лазеров на примере генератора, работающего по трехуровневой схеме накачки (рис. 6.3).

Уровень 1 есть основное состояние, уровень 2 является метастабильным и выше расположен уровень 3, через который осуществляется накачка метастабильного уровня. В соответствии с реальной ситуацией примем, что уровень 3- короткоживущий, так что N3 =0. Кроме того, будем считать, что квантовый выход

239

равен 1, так что любая частица, заброшенная на уровень 3, обязательно совершит переход на метастабильный уровень и далее излучательный переход в состояние 1 Считаем, что безызлучательные переходы 2-1 малы. Примем для простоты, что g1=g2=1 в генерации участвует только один тип колебаний. Тогда число фотонов в нем равно m (число фотонов в поле резонатора лазера). N1 , N 2 , N 3 ,– на-

селенности уровней лазера. Но нас будет интересовать разность населенностей, обозначим ее через n = N 2 − N1 . В результате балансные уравнения примут вид

[4]

В рассматриваемом приближении сумма N2+N1=N – есть постоянная величина, - WN1 – характерезует скорость опустошения уровня 1 за счет действия поля накачки (с такой же скоростью будет заполняться уровень 2), b- спектральный коэффициент Эйнштейна (см. подраздел 5.2.2). Вычитая из второго уравнения системы (9.1) первое и выражая N2, N1 через n и N, получим

К этому уравнению следует добавить соотношение, опредкляющее число фотонов m.. Вычислим скорость изменения m равную dm/dt.

Если бы процессы индуцированного испускания и поглощения фотонов отсутствовали, то со временем поле в резонаторе уменьшалось бы за счет потерь резонатора. Обозначим через τ p – время затухания поля в резонаторе, тогда

τ p = Qω (Q-добротность резонатора). Следовательно:

dm = − m . dt τ p

Учет индуцированных переходов может быть проведен очень просто. Изменение разности населенностей в единицу времени за счет индуцированных переходов равно, согласно (9.2), 2bmn. При каждом переходе число фотонов в резонаторе изменяется на ± 1, а разность населенностей на ± 2. Поэтому изменение числа фотонов за счет индуцированных переходов просто в два раза меньше изменения разности населенностей и противоположно ему по знаку, т е

( dm)инд = bmn . dt

В результате полная скорость изменения числа фотонов в резонаторе будет:

Уравнения (9.2), (9.3) образуют замкнутую систему, описывающую (при сделанных допущениях) работу лазера.

Аналогичным образом могут быть записаны уравнения для 4-х уровневой схемы работы лазера. Наиболее простой вид они будут иметь в том случае, когда нижний рабочий уровень короткоживущий и его можно принять пустым. В этом