книги из ГПНТБ / Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы

из области 3 на уровень 2 происходит без излучения фотонов, разность энергии Ез — Ег переходит в тепло: кристалл нагревается.

Уровень 2 состоит из двух близко расположенных

жизни большое — около трех миллисекунд, поэтому во время оптической подкачки происходит накопление ионов на уровне 2. В определенный момент времени количество ионов на уровне 2 превзойдет количество ионов на уровне 1. Этим самым будут созданы условия для

уровня 1, дает возможность усиливать излучение с часто­ той, соответствующей переходам с уровня 2 на уровень 1. Особенно легко получить генерацию и большую мощ­ ность излучения на линии

Для подкачки используют импульсные ксеноновые лампы-вспышки. По конструкции и схеме включения они похожи на обычные лампы, применяемые в фотографии. Они излучают фотоны с различными частотами. Чем шире полоса поглощения в кристалле, тем большая часть фо­ тонов от лампы-вспышки будет поглощена и тем боль­ шая часть ионов будет переведена в возбужденное со­ стояние. Кристалл рубина обладает достаточно широкой полосой поглощения, что позволяет эффективно исполь­ зовать фотоны, излучаемые лампой-вспышкой. Большое время жизни уровня 2, которое способствует накоплению ионов на этом уровне, широкие полосы поглощения, об­ легчающие оптическую подкачку и дающие возможность создать большую скорость возбуждения уровня 2,— все это делает кристалл рубина прекрасным материалом для оптических квантовых генераторов.

21

^^ Д>1____ __ ^ § 2 ? !! - ? ^ -----Выходной

Рис. 5.

На рис. 5 изображено схематическое устройство од­ ного из квантовых генераторов на рубине. Из рубиново­ го кристалла выточен стержень. Торцы его отшлифованы параллельно друг другу с очень высокой точностью и посеребрены так, что сам кристалл представляет собой резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркальных покрытий слегка пропускает свет. Рубиновый стержень и лампавспышка помещены в фокусах эллиптического отража­ теля: так достигается фокусировка излучения лампывспышки на стержень.

22

Рубиновый О К Г работает в импульсном режиме. Лампа подкачки дает очень сильный свет в тот момент, когда через нее проходит электрический заряд, накоплен­ ный в специальном конденсаторе с емкостью в несколь­ ко сотен микрофарад. После окончания вспышки кон­ денсатор снова заряжается выпрямителем, питающимся от сети переменного тока. Момент зажигания лампы под­ качки определяется подачей на лампу пускового высоко­ вольтного импульса. Через некоторое время после зажи­ гания лампы подкачки рубиновый стержень дает очень яркую вспышку, импульс красного света.

Продолжительность импульса О К Г — тысячные доли секунды. В течение этого времени наблюдаются отдель­ ные всплески излучения, называемые «пичками», дли­ тельность которых составляет десятимиллионные доли секунды. На рис. 6 показана осциллограмма интенсив­ ности луча ОКГ в зависимости от времени.

Причина пульсаций излучения лежит в структуре уровней ионов хрома. Большое время жизни уровня 2 и ширины линии, соответствующая переходу с уровня 2 на. уровень 1, создают такие условия, что в момент начала

Рис. б.

23

генерации скорость ухода ионов с возбужденного уров­ ня становится значительно выше скорости поступления ионов на этот уровень. Оптическая накачка не успевает в процессе генерации поставить новую порцию ионов на уровень 2, среда «высвечивается», инверсия заселенно­ сти падает, коэффициент усиления света в среде стано­ вится недостаточным для покрытия потерь в резонаторе, генерация срывается. Необходимо некоторое время пос­ ле срыва, чтобы генерация могла возникнуть снова. Это время тем меньше, чем интенсивнее оптическая накачка.

Рубиновый генератор можно заставить работать и без пульсаций. Для этого в резонатор между зеркалами вво­ дят специальное устройство (ячейку), которое в нуж­ ные моменты ослабляет поле в резонаторе для того, что­ бы оно находилось в равновесии с активной средой, т. е. чтобы скорость ухода ионов с уровня 2 точно равнялась скорости их поступления.

Угловая расходимость светового пучка генератора равна примерно 0,01 радиана (1 рад^ 57 град). На рас­ стоянии километра диаметр луча не будет превышать 10 метров. Но с помощью специальных оптических си­

24

ность около 10 киловатт. В настоящее время достигнутоогромное увеличение этой цифры, главным образом за счет укорочения длительности импульса излучения при неизменной энергии его Это стало возможным после разработки метода ¿мгновенного увеличения добротно­ сти резонатора О КГ. Добротность — это параметр резо­ натора, характеризующий его качество: чем меньше за­ тухание волны в резонаторе, тем больше его добротность. Суть метода заключается в том, чтобы резко увеличить добротность в момент максимальной заселенности верх­ него уровня.

Для быстрого переключения добротности одно из зер­ кал резонатора О К Г приводится во вращение. Генерации возможна лишь в те миллионные доли секунды, когда вращающееся зеркало будет параллельно неподвижно­ му. При большой скорости вращения зеркала возникают

*гигантские импульсы излучения длительностью менее од­ ной стомиллионной доли секунды. Наибольшая мощность излучения, полученная таким способом, доходит до мил­ лиардов ватт. Она примерно равняется мощности круп­ нейших современных электростанций.

Несмотря на большую мощность и ряд других досто­ инств лазеров' на рубине, такие О К Г не могут удовле­ творить все потребности современной техники. В связи с этим появляется необходимость создания оптических, квантовых генераторов на иные длины волн, иные мощ­ ности, режимы работы и т. д.

ДРУГИЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

В настоящее время предложены разнообразные ак­ тивные среды для лазеров. Это и кристаллы, и аморф­

ные твердые тела (стекло, пластмасса), и жидкости, и газы.

25

Вскоре после создания первых оптических квантовых генераторов на рубине, где активным веществом являют­ ся ионы хрома, была получена генерация на ионах ред­ коземельных элементов — неодима, европия, диспрозия,

гольмия...

Структура уровней редкоземельных элементов су­ щественно отличается от уровней ионов хрома в рубине. Если для получения инверсии заселенности в рубине на­ до перевести в возбужденное состояние больше полови­ ны ионов хрома, то здесь инверсии добиться легче, таккак рабочий переход осуществляется не на основной уровень, как в рубине, а на уровень, расположенный -несколько выше основного и заселенный незначительно.

Ионы редкоземельных элементов могут быть введе­ ны в различные кристаллы или в стекло. Хорошо заре­ комендовал себя лазер на стекле с примесью неодима (N6). Он генерирует инфракрасное излучение с длиной

волны 1,06 микрона.

Один из новейших квантовых генераторов — генера­ тор с использованием ионов европия (Ей). Нижние уровни ионов европия, соответствующие рабочим пере­ ходам, расположены достаточно высоко над основным уровнем энергии. При комнатных температурах этот уровень почти не заселен, благодаря чему появление не­ большого количества возбужденных атомов приводит к инверсии заселенности. Однако в большинстве кристал­ лов ионы европия имеют очень узкие полосы поглоще­ ния, и поэтому значительная часть фотонов, излучаемых лампой-вспышкой, не поглощается и не производит воз­

буждения.

Выход был найден в применении сложных химиче­ ских соединений, известных под названием хелатов. Ионы европия вводятся в состав этих органических мо-

.лекул. Последним присущи широкие полосы поглощения в ближней ультрафиолетовой области. Поглощенная

26

энергия передается ионам европия, которые переходят в возбужденное состояние. Были созданы оптические кван­ товые генераторы на ионах европия в жидкостях и пластмассах.

Особенно много новых частот генерации получено в результате использования атомов и молекул газов.

Для возбуждения свечения газов применяется обыч­ но не оптическая накачка, а газовый разряд. В нем за­ селение уровней происходит главным образом благода­ ря соударениям атомов с электронами. Эффективный механизм получения инверсии заселенности уровней был придуман для первого газового лазера, построенно­ го в 1961 году американскими учеными А. Джаваном, В. Беннетом и Д . Герриоттом. Конструкция этого лазера упрощенно изображена на рис. 7.

Он состоит из кварцевой трубки диаметром 15 мм и длиной около метра. Трубка наполнена смесью инерт­ ных газов гелия и неона в отношении 10 : 1, общее давле­ ние равно 1 мм ртутного столба. Снаружи на трубку на­ деты 3 металлических кольца — электроды, к ним под-

Д генератору 8 а

27

водится напряжение высокой частоты (30 мггц) от специального генератора с мощностью примерно 100 ватт. При включении этого генератора в трубке возбуждается

газовый разряд.

На кольцах трубки — там, где кончается область раз­ ряда,— находятся зеркала, образующие резонатор. Зер­ кала закреплены в специальных регулируемых головках, обеспечивающих очень высокую точность настройки зер­ кал параллельно друг другу. Добротность резонатора очень сильно зависит от степени параллельности зеркал: достаточно перекосить их хотя бы на несколько угловых секунд, как лазер перестает генерировать.

Интересная особенность первого газового лазера — необычная конструкция зеркал. Дело в том, что если взять посеребренные или алюминиевые зеркала, то лазер не будет работать: коэффициент отражения этих зеркал не очень велик, порядка 90%, т. е. 10% падающей энер­ гии бесполезно теряется при отражении. Такие потери не могут быть компенсированы усилением в среде: оно составляет всего 5—6%. Поэтому были применены спе­ циальные интерференционные зеркала из тринадцати тонких слоев, нанесенных на кварцевую или стеклянную пластинку. Материал и толщина каждого слоя выбира­ лись таким образом, чтобы в результате сложения отра­ жений от границ слоев получить почти полное отраже­ ние падающего света. И действительно, на рабочей дли­ не волны лазера зеркала дали коэффициент отражения 99%. Вывод излучения наружу происходит через эти же зеркала: они пропускают несколько десятых доли процен­ та, чего уже достаточно, чтобы заметить генерацию и из­

мерить ее мощность.

Познакомимся с механизмом работы такого генера­

тора.

На рис. 8 представлены упрощенные схемы нижних уровней атомов гелия (Не) и неона (N6).

28

При возбуждении газового разряда в неоне часть ато­ мов, бомбардируемых электронами, переходит в возбуж­ денное состояние и начинает излучать свет. Было замече­ но, что время жизни атомов в состоянии 4 (10~7сек) в де­ сять раз больше, чем на уровне 3. Если каким-то спосо­ бом создать лучшие условия возбуждения уровня 4, чем уровня 3, то можно добиться инверсии заселенности этих уровней.

МетастаВильные

уроЬни

Рис. 8.

Такой способ был предложен А Джаваном. Он зак­ лючается в возбуждении атомов неона путем столкнове­ ний с возбужденными атомами гелия. Дело в том, что в гелиевом разряде накапливается много возбужденных атомов в метастабильном состоянии 2, имеющем относи­ тельно большое время жизни. Если возбудить разряд з

29

смеси Не — N 0, то возбужденные метастабильные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона в основном состоя­ нии, будут передавать свою энергию возбуждения и пе­ реводить атомы неона в состояние 4. Энергия уровня 2 ге­ лия почти точно соответствует энергии уровня 4 неона,, поэтому процесс передачи возбуждения от гелия к неону будет происходить с большой вероятностью.

Таким образом осуществляется избирательное воз­ буждение уровня 4, что значительно облегчает созданиеинверсии между уровнями неона 4 и 3 (атомы Не не уве­ личивают заселенности уровня 3). Уровни 4 и 3 неона состоят из целого ряда самостоятельных подуровней, поэтому переходу 4—3 соответствует целый набор длин волн, лежащих в инфракрасной области. Самая силь­ ная генерация наблюдалась на длине волны 1,152 ми­ крона.

В этой же смеси удалось добиться инверсии между уровнями 5 и 3: возбуждалась генерация с длиной волны 0,63 микрона (красный цвет).

В дальнейшем генерация была получена на многих инертных и некоторых других газах. Всего с газами най­ дено несколько сотен линий генерации, от ультрафиоле­ товой до далекой инфракрасной области.

Важной особенностью большинства газовых лазероа является то, что они работают не в импульсном, а в не­ прерывном режиме. Другая, очень важная их черта — ис­ ключительно высокая монохроматичность излучения. Не­ смотря на маленькую (относительно импульсных лазе­ ров) мощность излучения — порядка сотых долей ватта, газовые лазеры незаменимы по своей монохроматич­ ности, стабильности и направленности излучения. Эта выяснилось в первых экспериментах с газовыми ла­ зерами.

Устойчивость частоты генерации зависит от стабиль­ ности расстояния между зеркалами. Поэтому высокая

30