Объемная плотность энергии в пучке

.

В воздухе

.

Средняя по поперечному сечению пучка амплитуда колебаний электрического вектора равна Е = 860 В/м.

Регистрацию интенсивности света осуществляют с помощью приемников излучения, в которых энергия оптического излучения, так или иначе, преобразуется в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал от приемника исследуют с помощью электронного измерительного прибора, позволяющего определить амплитуду сигнала или его изменение во времени. В современной физической лаборатории электрический сигнал от датчиков преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровую форму и анализируют с помощью компьютера.

Таким образом, измерение интенсивности света сводят к универсальным электрическим измерениям. Такие измерения возможны, если длительности измеряемых электрических величин лежат в радиодиапазоне, т.е. для характерных времен не короче ~ 10^-10 секунды.

1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом

Простые оценки показывают, что эффекты когерентного взаимодействия света с активной средой должны наблюдаться даже для непрерывных гелий-неоновых лазеров со средней мощностью излучения порядка 1 милиВатта.

Для хорошо разрешенного атомного перехода дипольный момент равен: 1 Д (Дебаю) = 3,33564 10^-30 Кл м. При средней мощности излучения 1 мВт эффективное значение напряженности электрического поля в луче диаметром порядка миллиметра соответствует ~ 600 В/м, а амплитудное значение этой величины ~ 900 В/м. Внутри лазерного резонатора мощность излучения в ~ 100 раз выше, так как коэффициент отражения выходного зеркала лазерного резонатора ~ 1%. Кроме того, пульсации интенсивности излучения повышают интенсивность излучения еще на порядок (в лазере ЛГ 79 в 7 раз, см. раздел 3.5). Таким образом, амплитуда колебаний электрического поля в излучении лазера, взаимодействующим с его активной средой составляет в рассмотренном случае ~ 10⁶ В/м. Частота Раби при этом равна .   5 10⁹ Гц.

За время действия импульса возбуждения среды при существенном влиянии когерентных эффектов должна значительно изменяться доля частиц, находящихся в возбужденном состоянии. Этому требованию соответствует условие:

. (26)

При длительности импульса t = 0,6 нс напряженность поля в соответствии с (6) должна превышать 5 10⁴ В/м. Как видим, это условие в гелий-неоновом лазере заведомо выполняется. Напряженность поля, соответствующая мощности излучения ~ 1 мВт, должна здесь приводить к субнаносекундным пульсациям излучения. Такие пульсации на самом деле самопроизвольно возникают и наблюдаются в гелий-неоновых лазерах.

Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что эффектами когерентного взаимодействия излучения с активной средой в лазерах пренебрегать нельзя. Тонкая временная структура излучения неидеальных лазеров связана именно с этими эфектами.

2. Конструктивные элементы лазеров

2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров

Газоразрядная лампа для оптической накачки лазеров на твердых средах представляет собой конструкцию, состоящую из кварцевой трубки, заполненной газом, в торцах которой герметично закреплены электроды. Лампы делят на две группы: импульсные и дуговые непрерывного горения. Лампы, образованные прямой трубкой оказались наиболее рациональными и эффективными по сравнению со спиральными, полостными и П-образными конструкциями.

Высокие энергетические нагрузки элементов лампы обуславливают применение в производстве ламп наиболее термостойких материалов: прозрачного кварцевого стекла для трубки и специальных сплавов на основе вольфрама для электродов. С повышением энергии разряда максимум спектра излучения лампы смещается в ультрафиолетовую область спектра, тогда как положения характеристических линий излучения ксенона от энергии разряда не зависят (рис ).

Рис.2.1. Спектральное распределение кпд импульсной трубчатой ксеноновой лампы в единичном телесном угле. 1 – удельная мощность разряда 0,11 МВт/см³; 2 – 0,34 МВт/см³.

+ U = 1…2 кВ 2 ~20кВ

+

_

C = 100…500 мкФ

1

Рис. 2.2. Условная схема блока питания лазера с оптической накачкой. 1 – источник регулируемого электрического напряжения. 2 – газоразрядная лампа. На рисунке приведены примерные значения накопительной емкости С и электрических напряжений, которые обеспечивают энергию разряда 50 … 1000 Дж.

После зарядки конденсатора С до заданного напряжения на электрод или на корпус лампы подается высоковольтный поджигающий электрический импульс. В момент подачи поджигающего импульса электрическое сопротивление газа в колбе лампы падает из-за его ионизации. Ионы разгоняются электрическим полем, существующим между электродами лампы, и, сталкиваясь с атомами газа ионизируют их. Возникает лавинная ионизация газа, который превращается в плазму. Энергия движущихся ионов и электронов плазмы при их столкновениях преобразуется в свет. Таким образом, энергия, накопленная на конденсаторе, в процессе его разряда через лампу частично превращается в мощную световую вспышку.

Электрическая энергия, накопленная на конденсаторе, равна Е = СU²/2. Газоразрядная лампа преобразует часть этой энергии в свет с широким спектральным распределением. Ксенон преобразует в оптическое излучение примерно 60% электрической энергии разряда, тогда как криптон, аргон и неон 50, 40 и 35 % соответственно. Именно поэтому наибольшее применение в лазерах нашли газоразрядные трубчатые лампы с ксеноновым заполнением.

Для повышения эффективности лазера спектр излучения лампы стараются согласовать со спектром поглощения активного материала. Попытки создания специальных ламп, оптимизированных для накачки разных активных лазерных материалов, не привели к успеху. Выигрыш по кпд оказался небольшим, по сравнению с потерями в других важных параметрах: долговечности, стабильности и управляемости разряда. Создать лампу, все излучение которой эффективно поглощается активной средой, оказывается невозможным. В лучшем случае полезно используется 5 … 10% света.

На Рис.2.3 приведен спектр поглощения ионов неодима в стекле. Спектр содержит множество узких спектральных полос и линий. Сравнение его со спектром излучения газоразрядной лампы, огибающая которого близка к излучению абсолютно черного тела, показывает, что совместить оба спектра невозможно. Таким образом, кпд лазера с ламповой оптической накачкой оказывается чрезвычайно низким, не более нескольких процентов.

Рис.2.3. Спектр поглощения Nd³⁺ в стекле. Толщина образца 6,4 мм. Пропускание образца при отсутствии поглощения определяется френелевским отражением от торцов образца, оно равно 92,2%. Стрелкой указана полоса поглощения, возбуждение которой полупроводниковым лазером с узким спектральным контуром излучения обеспечивает наиболее высокую эффективность накачки.

Ситуация резко изменяется, если для накачки использовать квазимонохроматическое излучение специально изготовленного полупроводникового лазера. Длина волны излучения такого лазера должна совпадать с полосами поглощения неодима 0,88 или 0,81 мкм. При этом оптическая накачка становится исключительно эффективной. КПД полупроводникового лазера достигает 50%, что на порядок выше, чем у лампы. Это обстоятельство используют при создании волоконно-оптических лазеров, а также неодимовых лазеров с преобразованием частоты во вторую гармонику зеленого излучения. Как известно, последние используют в качестве источника накачки фемтосекундных лазеров и в разнообразных лазерных систем с преобразованием и перестройкой частоты излучения.

Р