2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде

В первом лазере Маймана, который использовал в качестве источника света накачки спиральную лампу, предназначенную для использования в маяках, эффективность накачки была крайне низкой. Порог генерации достигался при электрической энергии разряда через лампу, равной 950 Дж. В современных осветителях, оптимизированных по эффективности, для активного стержня, такого же, как у Маймана размера, пороговая энергия накачки на порядок ниже.

На первых порах при создании твердотельных лазеров с оптической накачкой поступали просто. Лазерный стержень и прямую лампу накачки попросту обматывали металлической фольгой. Такая конструкция могла использоваться в лаборатории для непродолжительных исследований в лазере, работающем в режиме однократных вспышек.

Было ясно, что максимальная эффективность накачки будет достигаться при минимальном объеме осветительной системы. Поэтому на первых этапах создания лазеров использовали так называемую «тесную конструкцию осветителя». В такой конструкции в качестве отражателя использовали металлические отражатели или диффузно отражающие свет материалы типа керамики на основе аморфного кварцевого стекла, которые в спектральной области 0,5 … 1 мкм отражают более 90% света.

Свет газоразрядной лампы накачки содержит значительную ультрафиолетовую компоненту, которая, воздействуя на лазерный кристалл, вызывает появление дефектов на поверхности и в объеме кристалла. Для работы в долговременном режиме ультрафиолетовое излучение лампы накачки необходимо устранять.

Кроме того, для воспроизводимой работы лазера в режиме повторяющихся вспышек или в режиме с непрерывной накачкой лампу накачки и активный кристалл необходимо охлаждать, а его температуру поддерживать постоянной. Это требует создания специальной жидкостной системы охлаждения лазера.

Исследования и расчеты показали, что наиболее эффективной оказывается оптическая система, в которой излучение прямой лампы накачки фокусируется на активный кристалл цилиндрической формы. Для фокусировки использовали отражатель, имеющий форму эллиптического цилиндра. Такой отражатель трудно изготовить. Более простым решением оказалось использование цилиндрического отражателя, который также фокусирует излучение лампы на образец. Для стержня и лампы заданного диаметра существует оптимальный диаметр отражателя.

Оптимальный отражатель представляет собой цилиндрический блочок из кварцевого стекла с двумя цилиндрическими отверстиями для лампы накачки и активного стержня. В зазоре между стенками отверстия и этими элементами прокачивают охлаждающую жидкость. Снаружи блочок покрывают хорошо отражающим свет слоем серебра, который сверху защищают никелевым или медным гальваническим покрытием. В охлаждающую жидкость (дистиллированную воду) добавляют вещество, поглощающее ультрафиолетовое излучение. Обычно используют слабый водный раствор бихромата калия. Устранение ультрафиолета повышает долговечность активных кристаллов.

а б

Рис. 2.9. Поперечные сечения осветителей твердотельных лазеров с оптической накачкой. а – осветительный блочок в виде эллиптического цилиндра, б – блочок в виде кругового цилиндра.

Для эффективной накачки диаметры светящейся части лампы и активного стержня должны быть одинаковыми. В случае диаметров, равных 7 мм, оптимальный диаметр цилиндрического блочка оказывается ~ 40 мм.

Лучи, испускаемые лампой накачки и лежащие в плоскости рисунка, наружной посеребренной поверхностью блочков фокусируются на активный стержень. Однако, большая часть лучей накачки не лежит в нормальной плоскости сечения блочка. Поэтому потери света накачки в осветителе могут составлять до ~ 50%.

Для повышения эффективности лазера целесообразно, чтобы в генерации участвовал весь объем активного кристалла. Для этого необходимо, чтобы радиация накачки была равномерно распределена внутри кристалла.

Неравномерное нагревание кристалла радиацией накачки приводит к термическим и механическим напряжениям, которые деформируют резонатор. В случае активного материала с низкой теплопроводностью (стекла) возникающие при накачке термоупругие напряжения могут приводить к разрушению активного стержня. Поэтому получение максимально однордного распределения радиации накачки в активном стержне практически оказывается целесообразным.

Симметричное освещение боковой поверхности кристалла все равно не обеспечивает равномерного распределения света накачки внутри активного кристалла.

Анализ этой проблемы проводился расчетным методом [*]. Расчеты проведены в монохроматическом приближении и в пренебрежении многократными отражениями световых лучей от поверхностей активного стержня. Погрешности вычислений при этом оказываются небольшими, в пределах 20%.

а

б

Рис. 2.10. Расчетное распределение относительной плотность радиации накачки в поперечном сечении цилиндрического активного стержня радиуса R с полированной (а) и идеально матированной (б) боковой поверхностью. Цифры у кривых обозначают значения kR, где k – коэффициент поглощения накачки активным веществом [ * ].

На рисунке каждая кривая изображает распределение радиации по радиусу стержня. Для полированных стержней при малых значениях kR плотность радиации в центре стержня значительно выше, чем вблизи поверхности. Это обусловлено фокусирующим действием боковой поверхности стержня, которая работает как положительная цилиндрическая линза. При повышении коэффициента поглощения радиации накачки распределение становится более однородным. При заданном k существует оптимальное значение радиуса стержня, при котором распределение накачки наиболее однородно (кривая с kR ~ 2… 3).

В матированных стержнях добиться равномерного распределения накачки в поглощающем стержне невозможно. Из-за диффузного рассеяния света на боковой поверхности максимум распределения в этом случае всегда оказывается лежащим на боковой поверхности образца.

Кривые рис. получены путем численных расчетов хода лучей в стержнях. Несмотря на приближенный характер расчетов они правильно описывают особенности распределения радиации накачки в активных средах.

*[ Методы расчета оптических квантовых генераторов. Т. 2. Изд. «Наука и техника», Минск, (1968), с.7 – 77. ]