Файл: Грибковский В.П. Удивительный мир лазеров.pdf

21

тывает широкий диапазон волн. Самое коротко­ волновое излучение получено от лазера на стекле с примесью ионов гадолиния. Оно имеет длину волны 0,313 мкм и относится к ультра­ фиолетовому участку спектра. Газовый лазер на неоне дает самое длинноволновое излучение с Л= 133 мкм. Это излучение примыкает к ко­ ротким радиоволнам, полученным радиотехни­ ческими способами.

Оптические квантовые генераторы в зави­ симости от свойств вещества можно разделить на три основные группы. К первой относятся лазеры с оптической накачкой на кристаллах, стеклах, жидкостях и пластмассах. Вторую группу образуют генераторы на газовых сме­ сях, а также ионные лазеры. Для их возбу­ ждения применяется обычно переменное элек­ тромагнитное поле или постоянный ток. Лишь в нескольких случаях в генераторах на газо­ вых смесях используется оптическая накачка. К третьей группе относятся полупроводнико­ вые лазеры.

Остановимся более подробно на оптиче­ ских квантовых генераторах каждой из этих групп.

Лазеры на твердом теле и жидкостях. От­ личительной особенностью лазеров этой груп­ пы является оптическая накачка, а также большая энергия и мощность генерируемого излучения.' Они работают, как правило, в им­ пульсном режиме при небольшой частоте повторения вспышек. Только немногие генера­ торы работают в непрерывном режиме, кото­ рый получен, в частности, на стекле с при­ месью неодима при комнатной температуре.

22

на кристаллах фтористого кальция с примесью диспрозия при температуре 77°К, на рубине при той же температуре и еще иа некоторых веществах.

Исторически первыми были лазеры на твердом теле. В разросшейся семье лазеров эти генераторы и теперь составляют большую группу. Наиболее типичными представителями их являются рубиновые лазеры, лазеры на стекле с добавкой неодима, лазеры на кри­ сталлах с добавками урана, самария, диспро­ зия и т. д.

Частицы активного вещества обладают большим числом энергетических уровней, но в процессе генерации участвуют лишь несколь­ ко из них. В первом приближении работу лю­ бого твердотельного лазера можно изучить на примере трехили четырехуровневой модели. Основное различие между ними заключается в том, что в трехуровневых генераторах инверс­ ная населенность создается между одним из возбужденных состояний и основным уровнем, а в четырехуровневых — между двумя возбуж­ денными уровнями. В соответствии с этим ла­ зеры делятся на трехуровневые и четырехуров­ невые. В ряде случаев одно и то же вещество может генерировать как по трехуровневой, так и по четырехуровневой схемам, например не­ которые газы.

Типичным, можно сказать, классическим генератором, работающим по трехуровневой схеме, является рубиновый лазер. Активной средой в нем служит рубин — кристалл окиси алюминия А1г03 с примесыо ионов хрома Сг+3, от 0,05 до 0,5% • В зависимости от концентра­

23

ции ионов хрома, которые играют роль актив­ ных частиц, цвет рубина изменяется от розо­ вого до насыщенного красного. Рубину в лазе­ рах обычно придается форма цилиндра. Ис­ пользуются стержни длиной от нескольких сан­ тиметров до полуметра. Вырастить такой кристалл само по себе большое искусство, а ведь это только начало. Кристалл надо еще обработать с высокой точностью, сделать тор­ цы активных стержней плоскими и строго параллельными.

На торцы рубиновых стержней в первых генераторах наносились полупрозрачные отра­ жающие покрытия. В последнее время чаще используются внешние зеркала, образующие резонатор, а для накачки используется мощ­

лампа имела спиральную форму (см. схему на стр. 25). В дальнейшем наряду со спираль­ ными стали применяться И-образные и пря­ мые цилиндрические лампы, которые распо­ лагаются в осветителе вблизи рубина.

Чтобы получить генерацию, вначале заря­ жают батарею конденсаторов до энергии в не­ сколько тысяч джоулей, затем производят разряд конденсаторов через лампу, которая освещает рубиновый стержень мощным крат­ ковременным световым потоком. В процессе генерации участвуют три энергетических уров­ ня хрома (см. рис. на стр. 25). При облучении рубина светом мощной импульсной лампы ионы хрома возбуждаются, поглощая радиа­ цию ламп в зеленой и желтой частях спектра, и переходят с основного уровня 1 на уровень 3,

24

С уровня 3 ионы хрома почти мгновенно пе­ реходят на уровень 2, на котором они могут задерживаться сравнительно долго. Это позво­ ляет создать избыток частиц на втором уровне по сравнению с первым.

Схема рубинового лазера:

1 — рубиновый стержень; 2 — импульсная лампа накачки; 3 и 4— зеркала, образующие резонатор; 5—ба­ тарея конденсаторов

Следовательно, при облучении рубина мощ­ ным световым потоком создается активная

волны Х—694 мкм, соответствующей переходу частиц со второго на основной уровень.

Таким образом, рубиновый лазер превра­ щает ненаправленное, беспорядочное излуче­ ние от лампы-вспышки в остронаправленный луч красного цвета. Благодаря широким,

25

полосам поглощения, обусловленным сравни­ тельно большой шириной возбужденных уров­ ней, в рубин можно ввести большую энергию возбуждения. В первых рубиновых лазерах энергия генерируемого луча за одну вспышку составляла несколько джоулей. Наибольшая энергия за один импульс, полученная от руби­ новых лазеров в последнее время, равна 1500 дж. Такое значительное увеличение уда­ лось осуществить путем удлинения рубиновых стержней, улучшения их качества и усовер­ шенствования способов накачки.

Лазеры на рубине работают, как правило, в импульсном режиме, так как мощность, не­ обходимая для накачки рубина, очень велика и может быть получена в основном от импульс­ ных ламп. Осуществлен также и непрерывный режим работы генераторов на рубине, однако излучаемая при этом энергия очень мала и составляет всего несколько милливатт.

Угол расхождения лучей первых лазеров был равен приблизительно половине градуса. Сейчас существуют генераторы на рубине с углом расходимости излучения в несколько минут. Так, например, оптический квантовый генератор на рубине, использованный совет­ скими учеными для световой локации Луны, имел расхождение пучка в 3 угловых минуты.

Мощность генерируемого излучения равна его энергии, деленной на время свечения. Для рубиновых и других твердотельных лазеров это время обычно составляет десятитысячные доли секунды, что позволяет получать боль­ шие мощности световых потоков. Средние по размерам образцы рубиновых лазеров ис­

26

пускают световую энергию в несколько десят­ ков джоулей, что соответствует мощности из­ лучения в несколько десятков киловатт.

Сокращая время свечения лазера, можно резко увеличить мощность генерируемого из­ лучения при одной и той же энергии, запасен­ ной в активной среде. Разработка специаль­ ных устройств, включающих резонатор на очень короткое время, позволила получить значительно более мощные световые потоки. Кратковременное включение лазера осущест­ вляется, в частности, при помощи резонатора, у которого одно из зеркал вращается с боль­ шой скоростью — примерно несколько десят­ ков тысяч оборотов в минуту. Из-за вращения зеркала отраженный от него луч направлен вдоль оси резонатора только в течение корот­ кого промежутка времени. В это мгновение и происходит генерация. В остальное время энергия только накапливается. В качестве мгновенных затворов используются и другие устройства. Лазеры, генерирующие в течение очень коротких промежутков времени, назы­ вают генераторами с импульсной доброт­ ностью, а получающиеся при этом мощные све­ товые вспышки — гигантскими импульсами. В таких генераторах выигрыша в энергии не получается, поскольку увеличение мощности излучения достигается за счет сокращения времени свечения.

Самая большая мощность лазерного излу­ чения в 20 миллиардов ватт при полной энер­ гии в 100 дж за импульс получена недавно в Физическом институте Академии наук СССР

на лазере из неодимового стекла, состоящем

27