книги из ГПНТБ / Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров

из нескольких активных стержней. Длитель­ ность импульса составляет при этом 5 мил­ лиардных долей секунды. Таким образом, ма­ ленький прибор-лазер способен, правда в тече­ ние очень короткого времени, развивать такую колоссальную мощность излучения, какой не имеет ни одна, даже самая крупная электро-

стояние более половины всех частиц. Выгоднее системы, работающие по четырехуровневой схеме, поскольку генерация в них возникает при переходах возбужденных частиц на проме­ жуточный уровень, а не на основной, как это имеет место в случае трехуровневых генерато­ ров (см. рисунок).

При поглощении внешнего излучения ак­ тивная частица возбуждается и переходит с основного уровня на четвертый уровень, а за­ тем она попадает на третий уровень. При определенных мощностях накачки число частиц на третьем уровне будет больше, чем на вто­ ром, т. е. среда может усиливать и генериро­ вать излучение.

Обычно на втором уровне находится незна­ чительная доля частиц, поэтому для начала генерации четырехуровневой системы требует­ ся значительно меньшая пороговая энергия

28

возбуждения, чем для трехуровневого генера­ тора.

Наиболее типичными четырехуровневыми генераторами являются лазеры на стекле с при­ месями ионов неодима Ш +3. Неодим вводится также в различные кристаллы, например фто­

стоит в их высокой однородности и в возмож­ ности приготовления активных образцов до­ статочно больших размеров. Именно в генера­ торах на неодимовом стекле используются самые длинные стержни (90 см).

Благодаря высокой однородности активной среды излучение лазеров на неодимовом стек­ ле имеет меньшую угловую расходимость, чем у рубиновых лазеров. Лазеры с добавкой не­ одима дают излучение в ближней инфракрас­ ной области спектра на длине волны X—

= 1,06 мкм.

По четырехуровневой схеме работают мно­

Для многих из них наряду с импульсным по­ лучен и непрерывный режим.

Угловая расходимость излучения генерато­ ров на твердом теле изменяется от не­ скольких градусов до нескольких минут, а спектральная ширина — от нескольких до де­ сятков мегагерц. Лазеры на твердом теле работают чаще всего при комнатной темпера­ туре. Понижение температуры обычно улуч­ шает их работу — увеличивает мощность

29

Генерируемого света, уменьшает угловую рас­ ходимость и спектральную ширину.

Энергия излучения существующих оптиче­ ских квантовых генераторов за один импульс изменяется от долей джоуля до сотен джоулей. Самая большая энергия в 5000 дж получена па стекле с добавкой неодима.

Коэффициент полезного действия твердо­ тельных лазеров с оптической накачкой изме­ няется от 0,1 до 10%. Наибольший к. п. д. по­ рядка 10% получен при использовании для накачки неодимового лазера диодов из арсени­ да галлия.

Основное преимущество генераторов на твердом теле — возможность получения свето­

ный режим работы при небольшой частоте повторения импульсов и невысокий коэффи­ циент полезного действия, редко превышаю­ щий 1 %.

Как уже отмечалось, сотрудники Институ­ та физики Академии наук БССР Б. И. Степа­ нов, А. Н. Рубинов и В. А. Мостовников нашли новый уникальный класс активных материа­ лов — растворы органических красителей. К ним относятся такие известные красители, как метиленовый синий и метиленовый зеле­ ный, т. е. обычные «синька» и «зеленка», ко­ торыми мы часто пользуемся в быту. Способ­ ностью к генерации обладают почти все испро­ бованные красители (к настоящему времени более сотни). Если сложная молекула такого типа не генерирует, то это исключительное яв­ ление, требующее специального объяснения.

30

Лазеры на органических красителях обла­ дают многими преимуществами. Поскольку число красителей очень велико, то удается по­ лучать генерацию на любой частоте от ультра­ фиолета до ближней инфракрасной области спектра. Небольшое легко осуществимое изме­ нение свойств резонатора позволяет плавно перестраивать длину волны в пределах поряд­ ка 100А. Для большего изменения остается лишь заменить раствор в сосуде. Еще проще получить генерацию сразу на широкой полосе. В отличие, например, от рубина красители очень дешевы. Коэффициент преобразования света таких лазеров в принципе может дости­ гать 70%, а угол расходимости луча значи­ тельно меньше, чем у твердотельных генера­ торов.

Для возбуждения растворов красителей применяется излучение рубинового лазера и импульсных ламп. Генераторы на растворах представляют собой сосуд (кювету), заполнен­ ный генерирующей жидкостью. Основания со­ суда, как и торцы рубинового стержня, долж­ ны быть тщательно отполированы и строго параллельны. Зеркала, образующие резона­ тор, располагают параллельно основаниям. Излучение накачки рубинового лазера направ­ ляют либо перпендикулярно, либо параллель­ но оси резонатора. В первом случае генери­ руемый поток перпендикулярен возбуждаю­

щему.

Газовые лазеры. Применение газовых сме­ сей в качестве активного вещества дало воз­ можность построить лазеры непрерывного действия. Газовые лазеры отличаются от гене­

31

трубки. Это сильно усложняло юстировку зеркал и приводило к их загрязнению и порче. В настоящее время в газовых лазерах исполь­ зуются обычно внешние зеркала.

Газовые лазеры в отличие от твердотель­ ных, как правило, генерируют излучение в

Газонаполненная трубка

Схема газового лазера

разных областях спектра. Так, например, ге- лий-неоновый лазер наряду с ярко-красным светом видимой области спектра (длина вол­ ны 1=0,633 мкм) генерирует излучение в инфракрасной области с 1=1,15 мкм и 1= = 3,39 мкм.

Газовые лазеры дают большое число ли­ ний когерентного излучения. Уже сейчас от них получено более 200 линий, начиная от ультрафиолетового излучения с длиной вол­ ны 1 = 0,3 мкм до далекого инфракрасного с 1=133 мкм. В качестве активного вещества, кроме гелий-неоновой смеси, в настоящее вре­ мя применяется много других смесей и чистых газов, в частности чистый гелий, неон, ксенон, аргон, криптон, пары ртути и т. п.

Газовая смесь может возбуждаться не только высокочастотным полем, но и проходя­ щим через нее постоянным током. В некото­ рых случаях в газоразрядную трубку впаива­

ется еще один электрод — сетка, которая мо­ жет изменять энергию возбуждения и, следо­ вательно, величину генерируемого светового потока — модулировать его. Ширина энерге­ тических уровней газов очень мала, поэтому для их возбуждения невыгодно использовать оптическую накачку. Оптическое возбуждение используется лишь в отдельных случаях, в

Газовые лазеры работают как в непрерыв­ ном, так и в импульсном режимах. Мощность их излучения при работе в непрерывном режи­ ме значительно ниже мощности твердотельных лазеров и изменяется от десятых долей мил­ ливатта до десятков, а в некоторых случаях и сотен милливатт. Исключение составляет ла­ зер на углекислом газе, мощность которого доходит до 1000 вт.

В импульсном режиме мгновенная мощ­ ность излучения газовых лазеров значительно больше, чем в непрерывном. В противополож­ ность твердотельным они могут работать с очень большой частотой повторения, доходя­ щей до 2000—5000 импульсов в секунду. Даль­ нейшее увеличение числа импульсов сни­ жает к. п. д.

Коэффициент полезного действия всех га­ зовых лазеров, кроме лазеров на СОг, значи­ тельно ниже, чем генераторов на твердом теле, и составляет примерно 0,01%. Генераторы на смеси СОг и N2 дают высокий к.п.д. — около

10-15% .

Угол расходимости излучений ОКГ на га­ зовых смесях меньше, чем у твердотельных

34

генераторов, и составляет минуты и даже секунды. Спектральная линия примерно в 1000 раз уже. Ее ширина изменяется в преде­ лах от 0,5 до 10 кгц.

Создание лазеров, в которых роль актив­ ной среды играют ионизированные атомы, по­ зволило увеличить мощность генерируемого излучения в непрерывном режиме. Основное преимущество ионных лазеров состоит в том, что они дают излучение во всем видимом спектре от красного до синего света (и даже ультрафиолетовое излучение) при мощностях, значительно превышающих мощность гелийнеоновых лазеров. В частности, получено

лии, аргоне, криптоне, ксеноне, неоне. Ион­ ный лазер на аргоне генерирует, например, в сине-зеленой части спектра 6 линий. Особую ценность представляет зеленое излучение это­ го лазера 1 = 0,515 мкм, так как оно почти не ослабляется водой и поэтому может быть использовано, в частности, для подводной ло­ кации и связи.

Ионные лазеры могут работать в непре­ рывном и в импульсном режимах. В импульс­ ном режиме их мгновенная мощность дости­ гает нескольких сотен ватт. Коэффициент по­ лезного действия в данном случае не очень высок и составляет несколько сотых процен­ та. Предполагается, однако, что он может быть значительно увеличен.

Лазер на углекислом газе генерирует инфракрасное излучение с длиной волны 1=10,6 мкм. Такое излучение практически не