Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Ar8+, Ag37+ и ряде других элементов в диапазоне длин волн от 3

до 50нм.

19.6.4.Лазеры на свободных электронах.

Влазерах этого типа используются основные преимущества

электронных вакуумных приборов с динамическим управлени­

ем, например ЛЕВО и ЛБВМ (см. гл. 13, 14). В лазерах на сво­

бодных электронах активной средой являются электронные по­

токи, ускоренные до релятивистских скоростей и движущиеся

через ондулятор. Ондулятор представляет устройство с пери­

одически изменяющимся в пространстве электрическим или

магнитным полем. В магнитном ондуляторе поле формируется набором расположенных друг за другом магнитов с чередую­

щейся полярностью. Кроме поступательного движения, электро­

ны под действием такого магнитного поля совершают периодиче­

ские колебания (осцилляции), которые сопровождаются электро­

магнитным излучением с частотой ro0 ""' v/A, где v - скорость

переносного (продольного) движения электронов, D = Л- про­

странственный пер'иод изменения магнитного поля.

Расчеты показывают, что для получения излучения электро­

нов в видимом диапазоне спектра необходимо разогнать их до энергии в 50 МэВ (при D = 1 см). Современные ускорители заря­ женных частиц позволяют разогнать электроны до энергий, превышающих 500 МэВ, что будет соответствовать излучению

на красном краю рентгеновског<;> диапазона.

, 1. Каковы особенности газовой среды как активного вещества

лазеров?

2.Какие процессы определяют получение инверсии населеннос­

тей посредством газового разряда? Охарактеризовать роль каж­

дого из процессов.

3.Роль Гелия в Не-Nе-лазерах. Рабочие переходы и селекция

частот г'енерации.

4.Объяснить физические процессы, определяющие зависимость мощности излучения от тока разряда в Не-N е-лазерах.

5.Особенности энергетической структуры рабочей (активной)

среды в молекулярных лазерах; специфика их параметров и

характеристик.

ной среде от соответствующих уров­ ней энергии изолированных частиц. Это вызывает расщепление отдель-

ных дискретных уровней и превращение их в энергетические зоны

или полосы. Особенно это характерно для уровней энергии, соот­ ветствующи:х;. внешним электронам в атоме. На рис. 20.1 показаны уровни энергии в изолированном атоме (рис. 20.1, а) и соответст­ вующие им энергетические зоны в твердом теле (рис. 20.1, б).

При такой энергетической структуре спектр поглощения

·света активным веществом должен состоять из отдельных полос

и линий, ширина которых зависит от ширины соответствую­

щих энергетических уровней (зон). Основная причина различия

спектров изолированных атомов и твердого или жидкого тела

связана с электрическим взаимодействием отдельных атомов с

внутренним полем вещества.

Перечислим основные требования, предъявляемые; исходя из энергетических соображений, к активным средам твердо-

тельных лазеров.

1. Активное вещество должно обладать метастабильными уров­ нями энергии, на которых из-за большого вре:t'4ени их жизни

можно создать значительную населенность, т. е. получить до­

статочное число активных атомов. Наличие метастабильных уровней с высоким квантовым выходом проявляется в сущест­ вовании интенсивных линий люминесценции, достаточно уз­ ких, что является необходимым условием для увеличения ко-

!эффициента усиления в среде с инверсной населенностью.

но превышала частоту лазерного излучения.

стекло с неодимом, иттербий - эрбиевое стекло, алюминат ит­

трия с неодимом (УА1203 : Nd3+) и ряд других соединений.

При ламповой оптической накачке наибольший КПД полу­

чен в лазере на стекле с примесью неодима (8% ).

20.2.Системы накачки

Влазерах рассматриваемого типа в основном использует­

ся оптическая накачка. Системы накачки включают в себя ис­

точник света и оптическую систему, которая с минимальны­

ми потерями транспортирует световую энергию в активную

среду.

20.2.1. Источники света.

Наиболее интенсивные полосы поглощения большинства ак­ тивных сред находятся в видимой части спектра и соседних уча­ стках ИК и "УФ диапазонов. Спектр излучения источника всегда

находится в области частот, больших частоты излучения лазе­

ра, т. е. излучение лампы накачки смещено в более коротковол­ новую часть спектра. В силу этого для генерации лазерного из­

лучения в видимом диапазоне необходимо, чтобы лампа накач­

ки излучала свет в области фиолетовых и "УФ длин волн. Для этого требуются источники с высокой температурой поверхно­ сти, поскольку согласно закону Стефана-Больцмана полная мощность Ет (интегральная по спектру) с единицы поверхности

· абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его

температуры:

Ет:::::: crT4,

где а.::::: 5,67 • lo-12 Вт· см-2 • к-4.

Длина волны, соответствующая максимуму излучения, оп­

ределяется законом смещения Вина и обратно пропорциональ-.

на температуре абсолютно черного тела. Под абсолютно черным

телом понимается идеальное тело, которое поглощает все па­

дающее на тело электромагнитное излучение. Излучения реаль­

ных тел всегда несколько отличаются от закона излучения абсо­

лютно черного тела, но с достаточной для практических целей

точностью излучение реальных источников света может рас­

сматриваться как излучение черного тела с некот()рой эффек­ тивной температурой.

19-6779

отн. ед.

5

4

3

вольфрама, и образующееся соединение возвращается на нить,

где происходит восстановление вольфрама.

На рис. 20.2, 20.3, 20.4 приведены характерные спектры из­

лучения газоразрядных ламп: ртутной (при различных давле­ ниях паров ртути), ксеноновой и лампы накаливания с иодным циклом (при различных напряжениях накала И).

20.2.2. Системы оптической накачки.

Создание инверсии населенностей в активной среде, доста­ точной для лазерной генерации, требует интенсивного ее облу­

чения. Пороговые интенсивности достигают десятков Вт/см2 •

Соответствующие энергии проще получать в импульсном режи­ ме. Система оптической накачки, обеспечивающая создание ла­

зерной генерации, содержит в общем случае ·лампу накачки и све­

тооптические элементы (например, эллиптические отражатели),

концентрирующие лучистый пото:к, испус:каемый лампой на­

качки, на активном элементе. Эффективность системы накачки

можно определить как отношение поглощаемого в активном

материале лучистого потока к мощности, потребляемой всеми лампами накачки. Несколько видов систем оптичес:кой накачки представлено на рис. 20.5, где 1 - активная среда, 2 - лампа на­

качки, 3 - зеркальная поверхность, 4 - оптический фильтр

(см. рис. 20.5, д).

Одна из первых систем накачки, :которая была использована со­

здателем рубинового лазера Т. Г. Ме:йманом в 1960 г., изображена на рис. 20.5, а. Активный материал в этой системе размещен та­

ким образом, что спиральная газоразрядная лампа обвивает его. Лампа ,вместе с активным стержнем помещается в цилиндриче-

19"

Если использовать другое расположение источника излучения и активного образца в цилиндрическом рефлекторе, то можно до­

биться существенно лучших результатов. В качестве примера

можно привести систему накачки, состоящую из цилиндрическо­

го рефлектора кругового сечения, в котором лампа и активный об.:

разец расположены симметрично относительно продольной оси

цилиндра и вдоль нее на одинаковом расстоянии (рис. 20.5, б).

Эффективность передачи энергии в активный образец в рассмат­

риваемой системе зависит от осевого расстояния активного образ­ ца и лампы относительно продольной оси цилиндра. При близ­

ком расположении образца и лампы КПД может быть высоким

(см. рис. 20.5, в) и приближаться к КПД более совершенных сис­

тем с Эллиптическими отражателями. Однако с увеличением осе­

вого расстояния в системах накачки с круговыми цилиндриче­

скими отражателями КПД уменьшается значительно быстрее.

Очевидно, что с учетом потерь на отражение от поверхности ак­

тивного образца и при неполном отражении от рефлектора, мак­ симальная эффективность передачи энергии в ак_тивный элемент

для рассматриваемой системы и системы с эллиптическими отра­

жатещ1ми не может превосходить величины 1lмакс = rP(l - r 06P),

где rP и r 06P - коэффициенты отражения от поверхности рефлек­ тора и активного образца при нормальном падении.

Система накачки с эллиптическими отражателями (рис. 20.5, г)

обладает фокусирующими свойствами. Эллипс представляет со­

бой геометрическое место точек, сумма расстояний от которых до двух точек внутри эллипса, называемых фокусами эллипса,

есть.величина постоянная и равная большой оси эллипса, поэто­ му лучи, исходящие из одного фокуса, будут собираться во вто­ ром. Таким образом, световая энергия, излученная лампой, рас­

положенной вдоль одной из фокальных линий, концентрирует­ ся эллиптическим отражателем в месте расположения образца

(вдоль другой фокальной линии). Из-за конечных поперечных

размеров лампы через вторую фокальную линию будут прохо­

дить только лучи, проекции которых на поперечное сечение от-

. ражателя перпендикулярны поверхности лампы. Поскольку

. другие лучи фокусируются неточно, то из_ображение лампы за­ нимает некоторую область вблизи фокальной линии. Следова­ тельно, КПД данной системы зависит от поперечных размеров источника накачки, активного образца и отражателя, а также от эксцентриситета эллипса. Чем меньше эксцентриситет, тем

лучше фокусировка.