Теоретические основы квантовых приборов

Поскольку E1 и E2 << k BT , то вероятность этих процессов очень высока и время жизни нижних лазерных уровней снижается до 20 мкс. С

промежуточного уровня 0110 молекулы очень быстро переходят в основное состояние за счет релаксации при столкновениях с атомами Не, число которых в газовой смеси является преобладающим. Второй причиной, по которой газ Не, обладающий высокой теплопроводностью, введен в смесь, является необходимость хорошей передачи тепла от молекул CO2 стенкам. Снижение температуры газа уменьшает тепловое заселение нижних лазерных уровней, которые расположены очень близко к основному состоянию. Таким образом, введение N 2 способствует улучшению заселенности верхнего лазерного уровня, а введение Не – обеднению нижнего. Время жизни верхнего уровня составляет 400 мкс, а нижних – 20 мкс.

При индуцированных переходах на нижние лазерные уровни генерируется излучение с длинами волн 10.6 и 9.6 мкм. Кроме того, вследствие сложной структуры вращательных подуров-

лазеры могут легко перестраиваться среди около 100 линий излучения с расстояниями между ними порядка 1…10 нм. Из-за более высокого усиления излучение с длиной волны 10.6 мкм обычно подавляет излучение 9.6 мкм.

объясняется тем, что в типичных условиях для активной среды однородная ширина линии ω L / 2π = 15 МГц близка к доплеровской ωD / 2π = 50 МГц. Самая близкая к центру линии усиления мода резонатора

62

насыщает почти весь контур усиления и за счет конкуренции подавляет генерацию остальных мод резонатора.

CO2 -лазер хорошо работает в режиме модуляции добротности, которая в простейшем случае может осуществляться вращением с высокой скоростью одного из зеркал вокруг оси, лежащей в плоскости его отражающей поверхности. Оптимальный период вращения равен времени жизни верхнего уровня τ2 = 400 мс. В этом случае лазер работает в импульсном режиме.

Широко применяются несколько видовCO2 -лазеров:

∙ отпаянные лазеры. Для удаления продуктов диссоциации CO2 в смесь добавляют пары воды. В результате реакции CO+ CH → CO2 + H количество CO2 в смеси восстанавливается. К основным свойствам таких лазеров относятся автономность и небольшие габариты, выходная мощность обычно составляет 20…30 Вт на метр длины активного элемента. При работе в импульсном режиме мощность в импульсе составляет до 10 кВт на 1 м длины активного элемента;

∙ лазеры с продольной прокачкой газа. Их конструкция аналогична конструкции аргонового лазера, показанной на рис. 36. Место обводного канала занимает перекачивающее устройство. Основная цель прокачки – удаление продуктов диссоциацииCO2 , в частности молекул СО, которые ухудшают работу лазера. Для повышения длины активного элемента часто ис-

ис помощью дополнительных зеркал возвращается обратно. Давление газовой смеси составляет 10…15 торр, выходная мощность – около 50 – 70 Вт/м

иобычно не превышает нескольких сотен ватт;

скоростью отвода тепла из рабочего объема газа. В них тепло к стенкам резонатора отводится в основном за счет диффузии. Гораздо эффективнее отвод тепла осуществляется, если прокачка газа происходит в направлении, попе-

63

речном по отношению к электрическому разряду (рис. 41). В этом случае отвод тепла происходит за счет кон-

возбуждением (ТЕА-лазеры). В случае лазеров с поперечной накачкой не возникают ограничения по давлению смеси сверху, но поднять давление

выше 50…100 торр нелегко, поскольку увеличение давления требует и увеличения напряжения разряда. Данное ограничение можно преодолеть, если пропустить ток в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Для этого катод и анод выполняются в виде протяженных элементов, расположенных вдоль боковых сторон резонатора. Таким образом, в этих лазерах удается поднять давление смеси вплоть до атмосферного и выше. Название лазеров соответствует аббревиатуре первых трех слов английского названия

Transversely Exited Atmospheric Pressure Lasers. Такие лазеры работают в им-

пульсном режиме с энергией в импульсе порядка нескольких джоулей на литр рабочего объема;

∙ газодинамические CO2 -лазеры. В этих лазерах инверсная населенность создается не за счет электрического разряда, а за счет быстрого адиабатического расширения газовой смеси, содержащейCO2 , предварительно нагретой до высокой температуры (рис. 42). Таким образом, эти лазеры представляют собой тепловую машину с прямым преобразованием тепловой энергии в энергию электромагнитного поля. Типовая смесь состоит из 7.5 % CO2 , 93 % N 2 и 2 % H 2O . Начальный разогрев газовой смеси достигается за счет сгорания СО в воздухе. Расширение со сверхзвуковыми скоростями после сопла с высотой 0.8 мм необходимо для понижения температуры и давления за время, которое меньше времени жизни верхнего лазерного уровня и больше времени жизни нижнего лазерного уровня. Газ N 2 , как показано на диаграмме (рис. 37), за счет резонансной передачи энергии углекислому газу поддерживает населенность верхнего лазерного уровня почти неизменной, а населенность нижнего уровня резко падает (см. рис. 42). В результате, создается протяженная область среды с инверсией населенностей,

64

Эксимерные лазеры. Эксимер – это молекула, которая существует только в возбужденном состоянии. Рассмотрим двухатомную молекулу, потенциальные кривые которой приведены на рис. 43. Основное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов, поэтому молекула в связанном

молекул: 1) как только в результате генерации излучения молекула переходит на нижний уровень, она немедленно распадается, что означает, что населенность нижнего уровня всегда равна нулю; 2) не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является широкополосным, что позволяет получить перестраиваемое излучение в пределах этого широкополосного перехода.

В качестве примера лазеров такого типа можно назвать Xe2 -лазер. Верхний лазерный уровень обычно накачивается импульсным электронным

пучком. При этом используется газ Xe при высоком давлении (P > 106 Па). Такой лазер излучает на длине волны 0.173 мкм (вакуумный ультрафиолет), перестраивается в диапазоне 5 нм и имеет эффективность преобразования энергии порядка 20 %.

4.4. Твердотельные лазеры

Твердотельными лазерами принято называть лазеры, активная среда которых образована прозрачными диэлектриками (кристаллами или стеклами), активированными ионами металлов. В качестве таких активаторов чаще всего используются ионы редкоземельных металлов (неодима, эрбия, туллия,

66

гольмия иттербия), хрома, титана и др. Активные элементы твердотельных лазеров за счет сильного взаимодействия электронных оболочек атомов имеют достаточно широкие полосы поглощения.

Лазеры на рубине. На кристалле рубина был создан первый лазер. Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3 , в котором часть ионов

Al3+ замещена ионами хрома Cr3+ . Кристаллы рубина обычно получают выращиванием из расплава Cr2O3 (примерно 0.05 мас. %) и Al2O3 . Инверсия населенностей в кристалле рубина создается с помощью оптической

накачки, для которой используют импульсные лампы высокого давления, расположенные параллельно активному элементу, причем лампа и активный элемент размещены в фокусах эллиптического цилиндра, образованного отражателем света (рис. 44, a). Иногда используются Xe-лампы низкого давления, расположенные по спирали вокруг активного элемента. В этом случае отражатель в виде кругового цилиндра охватывает активный элемент и лампу (рис. 44, б). В последние годы активно используется накачка с помощью линеек светодиодов, которая является существенно более эффективной за счет узкой полосы излучений светодиодов.

Схема энергетических уровней ионов хрома приведена на рис. 45. Два уровня, 4F1 и 4F2 , представляют собой уровни резонансного поглощения оптической накачки в синей области спектра и состоят из шести дублетов в виде широких полос поглощения. Верхние рабочие уровни E и 2 A являются метастабильными со временем жизни 3.4 ×10−3 с. Время перехода с уровней поглощения на верхние рабочие уровни составляет (2…5)×10−7 с, т. е. передача возбуждения к лазерному переходу происходит почти мгновенно. Нижним рабочим уровнем является дублет основного состояния Cr3+ .

67

Nd3+-лазеры. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются

различные кристаллы и стекла, активированные ионами Nd3+ . Весьма распространен, в частности, кристалл алюмоиттриевого граната Y3Al5O12 (ИАГ). Возбуждение рабочих уровней в нем происходит по четырехуровневой схеме с оптической накачкой в полосах 520, 580, 740, 800 и 900 нм. Кристаллы граната с показателем преломления n = 1.82 искусственно выращивают из расплава. Потери на одной грани кристалла составляют 8.5 %, поэтому

68

Получение инверсии населенностей рабочих уровней происходит по четырехуровневой схеме. С уровня 4F5 / 2 атомы очень быстро переходят на верхний рабочий уровень 4F3 / 2 .

Излучение на основном лазерном переходе между уровнями 4F3 / 2 и 4I11 / 2 имеет длину волны 1.06 мкм. Время жизни верхнего уровня составля-

ет 10−3 с, а нижнего – 10−7 с, поэтому населенность нижнего лазерного уровня близка к нулю. С нижнего уровня атомы быстро переходят в основное состояние 4F9 / 2 . Промышленные образцы лазеров на ИАГ дают мощность генерации до 300 Вт с КПД 2-3 % и расходимостью излучения около 30´. В режиме генерации импульсов энергия импульса составляет 60 Дж при его длительности 0.5 нс. Сообщается о достижении пиковой мощности около

1013 Вт. Частота повторения импульсов может быть более 10 кГц. С несколько меньшей эффективностью подобная лазерная среда может использоваться и для генерации излучения с длиной волны 1,32 мкм.

Генерация ионов неодима возможна и в ряде других кристаллических сред, а также в стеклах различного химического состава. Преимуществом стекла является невысокая стоимость изготовления активных элементов и возможность изготовления активных элементов большого размера, а недостатком – невысокая теплопроводность стекла, что затрудняет теплоотвод. Заметим, что при работе твердотельных лазеров значительная доля энергии накачки теряется в объеме активной среды и переходит в конечном счете в тепловую энергию, т. е. в нагрев активного элемента, приводящий к нарушению качества лазерного пучка или даже к разрушению кристалла.

Весьма схожи с неодимовыми и лазеры на основе кристаллов или стекол, активированных другими редкоземельными ионами (эрбием, туллием, гольмием, иттербием и рядом других), также обеспечивающие эффективную генерацию в спектральном диапазоне 1…3 мкм.

Режимы работы твердотельных лазеров. Лазеры могут работать в раз-

личных режимах: непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом.

В непрерывном режиме оптическая энергия излучается непрерывно в течение некоторого промежутка времени (трудно в течение длительного времени поддерживать инверсную населенность в активной среде). Для поддержания стационарной инверсии, необходимой для поддержания непрерывной генерации, большую роль играют механизмы очищения уровней. К недостат-

69

кам относят необходимость ввода атомов или молекул для релаксации, а также трудности при решении проблемы отведения выделяющегося в активной среде тепла.

В импульсном режиме генерируются одиночные либо регулярно повторяющиеся импульсы лазерного излучения. Различают лазеры периодического (или частотно-импульсного) действия – это лазеры импульсного режима, работающие с частотой повторения, задаваемой схемой управления, и лазеры непериодического (чаще всего однократного) действия – лазеры импульсного режима, излучающие в момент времени, задаваемый оператором.

обеспечивает наиболее высокие уровни энергии импульсов излучения (в таком режиме чаще всего работают твердотельные лазеры). Параметры импульсов излучения определяются энергией импульса накачки.

Режим «пичковой» генерации. В этом режиме под действием импульса накачки, обычно имеющего длительность T ≈ 1 мс, излучается последовательность относительно коротких импульсов, называемых пичками (рис. 47). Их длительность t1 составляет десятые доли микросекунды. Временной интервал между соседними пичками t2 колеблется от 1 до 10 мкс.

Такая особая пичковая структура излучения твердотельных лазеров была обнаружена еще в эксперименте 1960 г. с самым первым рубиновым лазером. Сходная картина наблюдается и в других твердотельных лазерах.

Природа появления пичков может быть качественно объяснена следующим образом. После «включения» накачки населенность верхнего лазерно-

70