Файл: Khomichenko_var_19.docx

Рис 4. (а) - схема енергетичних рівнів і ймовірностей переходів для іонів Cr³⁺ в рубіні при температурі Т = 4,2 К і (б) - розрахункова схема енергетичних рівнів активної речовини трирівневого лазера.

Рівень ²Е - метастабільний, двічі вироджений, розщеплений на два підрівні з проміжком 29см^-1, рівні A є орбітальними синглетами. Положення рівнів ³F, ²Е мало залежить від неоднорідностей кристала, і вони практично не мають розширення. В результаті спін - орбітальні взаємодії іонів Cr³⁺ з полем кристала електронного стану, відповідні енергетичним рівням кристала, позначаються змішаними станами. Це призводить до того, що випромінювальні переходи з рівнів ⁴F, ⁴F₂ на ²F₁ та ²Е заборонені правилами відбору для спіна. Однак між цими рівнями здійснюються інтенсивні безвипромінювальні переходи S₃₂~(2…5)*10⁷c^-1 з величезним виділенням тепла. При порушенні оптичним накачуванням в смугах ⁴F₁,⁴F₂ зміна заселеності рівнів пов'язана зі спонтанними переходами на нижні рівні, індукованим поглинанням і випромінюванням і безвипромінювальними переходами.

Збуджені квантові частинки (іони хрому) з основного рівня ⁴А₂ переходять на резонансно поглинальні рівні ⁴F₁, ⁴F₂. Час життя частинок в збудженому стані малий. Рівні ⁴F₁, ⁴F₂ внаслідок спонтанного переходу частинок на основний ⁴А₂ рівень з ймовірністю А₃₁=3*10⁵с^-1 і безвипромінювального переходу з ймовірністю S₃₂=(2…5)10⁷c^-1 на метастабільний стан ²Е швидко збіднюється. Так як ймовірність спонтанного переходу з рівня Е мала (А₂₁~3*10²с^-1), то на рівнях і можливе утворення інверсії населеності частинок. При досягненні порогового значення інверсії N=0,5N₀ відбувається спонтанне і вимушене випромінювання.

Якщо інверсія заселеності не досягає порогового значення, то спостерігається тільки спонтанне випромінювання у вигляді люмінесценції рубіна на одній з двох вузьких ліній R₁ (₁=6943А), або R₂ (₂=6929А) з рівнів. Квантова ефективність в R-лініях становить ~ 0,52. Практично рубіновий лазер випромінює на R₁ - лінії, тому що ймовірність переходу в ній вище і швидше досягає порогової умови.

Не всі енергетичні стани беруть участь в процесі генерації індукованого випромінювання. Тому з деякою часткою похибки зручно представити етапи поглинання і збудження, створення інверсії і випромінювання у вигляді трирівневої моделі з відповідними квантовими переходами і населенням.

---

В рівень Е₃ зазвичай включають зелену (⁴F₂) і синю (⁴F₁) смуги поглинання, які відіграють основну роль у збудженні рівнів та . Ці рівні характеризуються великою швидкістю релаксації коливань кристалічної решітки. Основний стан Е₁ при температурі Т=300 К можна розглядати як один рівень з виродженням g₁=4. У кристалі рубіна з масовою концентрацією хрому, рівної 0,05%, при температурі Т=300 К ймовірність безвипромінювального переходу становить близько 2*10⁷с^-1, а час життя квантових частинок в метастабільних станах дорівнює приблизно 3*10^-3с. Якщо проводити накачування світловим потоком, паралельним осі Z рубіна, то показник поглинання для генерації R₁ - лінії становить 0,4 см^-1, а поперечний переріз поглинання одно 2,5*10^-20. Зазвичай при практичних розрахунках рубінового лазера застосовується наближена трирівнева модель станів.

Рубінові лазери, в даний час застосовуються менш широко, оскільки вони були витіснені лазерами на склі з неодимом. Оскільки рубіновий лазер насправді працює за трирівневою схемою, необхідна гранична енергія накачування приблизно на порядок перевищує відповідну величину для Nd лазера таких розмірів. Однак рубінові лазери все ще широко застосовуються в деяких наукових і технічних дослідженнях, для яких коротша довжина хвилі генерації рубіна дає суттєву перевагу перед Nd:YAG.

Створення лазера стало можливим після того, як були знайдені способи здійснення інверсної населеності рівнів. У побудованому Мейманом першому лазері робочим тілом був циліндр з рубіна. Діаметр стрижня був близько 1 см, довжина - близько 5 см. Торці стрижня були відполіровані і представляли собою строго паралельні один одному дзеркала. Один торець покривався щільним непрозорим шаром срібла, інший торець покривався таким шаром срібла, який пропускав близько 8% у полеглої на нього енергії. У лазері рубін висвітлюється імпульсної ксенонової лампою, яка дає світло з широкою смугою частот.

---

---

Завдання 4

Робота лазера в режимі модульованої добротності

Метод модуляції добротності дозволяє отримувати лазерну генерацію у вигляді коротких імпульсів (тривалістю від декількох наносекунд до декількох десятків наносекунд) з високою піковою потужністю (від декількох мегават до декількох десятків мегават). Принцип роботи лазера в режимі модуляції добротності полягає в наступному. Припустимо, що в резонатор лазера поміщений затвор. Якщо затвор закритий, то генерація не може виникнути і, отже, інверсія заселеності може стати дуже великою. Якщо тепер швидко відкрити затвор, то посилення в лазері буде істотно перевищувати втрати і накопичена енергія виділиться у вигляді короткого та інтенсивного імпульсу світла. Оскільки при цьому відбувається зміна добротності резонатора від низьких до високих значень, такий метод називають модуляцією добротності. За умови, що затвор відкривається за час, який є коротким у порівнянні з часом лінійного розвитку лазерного імпульсу (швидка модуляція добротності), вихідне випромінювання складається з одиночного гігантського імпульсу. У разі ж повільного відкривання затвора в генерації може виникнути кілька імпульсів. Справді, енергія, накопичена в активному середовищі до моменту повного відкриття затвора, висвічується у вигляді послідовних порцій, кожна з яких відповідає випромінюванню імпульсу. Кожен імпульс призводить до того, що посилення стає нижче миттєвого порогового значення і пригнічує тим самим генерацію до тих пір, поки триває відкривання затвора, яке не приведе до зменшення втрат в резонаторі лазера і, отже, не знизить поріг генерації.

Для модуляції добротності найбільш широко використовуються наступні пристрої:

Електрооптичні затвори.

Ці затвори засновані на електрооптичному ефекті, такому, як ефект Поккельса. Електрооптична комірка, заснована на ефекті Поккельса (комірка Поккельса), являє собою пристрій, в якому при додатку до нього постійної електричної напруги виникає подвійне променезаломлення. Величина наведеного подвійного променезаломлення пропорційна прикладеній напрузі. На рис. 6 показана схема лазера, в якому модуляція добротності здійснюється затвором, що складається з поляризатора і комірки Поккельса.

---

Рисунок 6 - Взаємне розташування поляризатора і комірки Поккельса в резонаторі, що використовується для модуляції добротності. У правій частині рисунка (за штриховою лінією) показано взаємне розташування вектора поляризації вихідного випромінювання, осі поляризатора і осей, між якими виникає двох променеве преломлення в комірці Поккельса (X, Y).

До комірки Поккельса прикладається зміщувана напруга таким чином, що осі Х і Y наведеного подвійного променезаломлення лежать в площині, перпендикулярній осі резонатора лазера. Ось поляризатора складає кут 45 ° з осями подвійного променезаломлення. Розглянемо тепер світлову хвилю, яка після активного середовища потрапляє в систему поляризатор - комірка Поккельса. При відповідному значенні прикладеної до комірки Поккельса напруги (близько 1-5 кВ) подвійне променезаломлення може привести до того, що лінійно-поляризоване світло пройшло через поляризатор після того, як воно пройде потім через комірку Поккельса, стане циркулярно-поляризованим. Після відбиття від дзеркала це циркулярно-поляризоване світло ще раз проходить через комірку Поккельса і знову перетворюється, але вже в лінійно-поляризоване світло, поляризація якого тепер перпендикулярна його вихідної поляризації. Отже, це випромінювання вже не пропускається поляризатором. Таким чином, такий стан відповідає закритому затвору. Затвор відкривається при знятті напруги з комірки, оскільки при цьому подвійне променезаломлення зникає і падаюче світло проходить без зміни поляризації.

Механічні затвори.

Слово "механічний" означає, що модуляція добротності здійснюється механічно, тобто обертанням одного з дзеркал лазера навколо осі, перпендикулярній осі резонатора (рис.7). Щоб уникнути генерації декількох імпульсів, швидкість обертання дзеркала повинна бути дуже великою. Для резонатора довжиною L = 50 см потрібні швидкості обертання близько 30 000 об / хв.

Рисунок 7 - Схема модуляції добротності дзеркалом,що обертається

Затвори на основі поглиначів, що насичуються.

Такі затвори дають найбільш простий метод модуляції добротності. В цьому випадку затвор являє собою кювету, наповнену деяким поглиначем, що насичується, який поглинає світло, довжина хвилі якого збігається з довжиною хвилі лазерного випромінювання.

---