ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 31
Скачиваний: 0
из нескольких активных стержней. Длитель ность импульса составляет при этом 5 мил лиардных долей секунды. Таким образом, ма ленький прибор-лазер способен, правда в тече ние очень короткого времени, развивать такую колоссальную мощность излучения, какой не имеет ни одна, даже самая крупная электро-
|
ч |
станция мира. |
|
|
|
1: |
-3 |
Трехуровневые генера |
|||
«Генерация |
торы |
типа |
рубинового |
||
-----; / |
имеют серьезный недоста |
||||
|
----- 1 |
ток. Для получения |
ак |
||
Энергетическая схе |
тивной |
среды |
в данном |
||
ма |
четырехуровне |
случае |
необходима такая |
||
|
вого ОКГ |
накачка, которая перево |
|||
|
|
дит в |
возбужденное |
со |
стояние более половины всех частиц. Выгоднее системы, работающие по четырехуровневой схеме, поскольку генерация в них возникает при переходах возбужденных частиц на проме жуточный уровень, а не на основной, как это имеет место в случае трехуровневых генерато ров (см. рисунок).
При поглощении внешнего излучения ак тивная частица возбуждается и переходит с основного уровня на четвертый уровень, а за тем она попадает на третий уровень. При определенных мощностях накачки число частиц на третьем уровне будет больше, чем на вто ром, т. е. среда может усиливать и генериро вать излучение.
Обычно на втором уровне находится незна чительная доля частиц, поэтому для начала генерации четырехуровневой системы требует ся значительно меньшая пороговая энергия
28
возбуждения, чем для трехуровневого генера тора.
Наиболее типичными четырехуровневыми генераторами являются лазеры на стекле с при месями ионов неодима Ш +3. Неодим вводится также в различные кристаллы, например фто
рид кальция СаБ2, |
вольфрамат кальция |
Са\У04. Преимущество |
лазеров на стекле со |
стоит в их высокой однородности и в возмож ности приготовления активных образцов до статочно больших размеров. Именно в генера торах на неодимовом стекле используются самые длинные стержни (90 см).
Благодаря высокой однородности активной среды излучение лазеров на неодимовом стек ле имеет меньшую угловую расходимость, чем у рубиновых лазеров. Лазеры с добавкой не одима дают излучение в ближней инфракрас ной области спектра на длине волны X—
= 1,06 мкм.
По четырехуровневой схеме работают мно
гие другие |
генераторы на твердом теле, на |
|||
пример, |
лазеры |
на кристаллах |
с примесями |
|
ионов |
самария |
5гп+2(А = 0,7 |
мкм), урана |
|
и +3(А = 2,5 |
мкм), |
диспрозия Оу+2(Л = 2,4 мкм). |
Для многих из них наряду с импульсным по лучен и непрерывный режим.
Угловая расходимость излучения генерато ров на твердом теле изменяется от не скольких градусов до нескольких минут, а спектральная ширина — от нескольких до де сятков мегагерц. Лазеры на твердом теле работают чаще всего при комнатной темпера туре. Понижение температуры обычно улуч шает их работу — увеличивает мощность
29
Генерируемого света, уменьшает угловую рас ходимость и спектральную ширину.
Энергия излучения существующих оптиче ских квантовых генераторов за один импульс изменяется от долей джоуля до сотен джоулей. Самая большая энергия в 5000 дж получена па стекле с добавкой неодима.
Коэффициент полезного действия твердо тельных лазеров с оптической накачкой изме няется от 0,1 до 10%. Наибольший к. п. д. по рядка 10% получен при использовании для накачки неодимового лазера диодов из арсени да галлия.
Основное преимущество генераторов на твердом теле — возможность получения свето
вых потоков большой энергии и |
мощности. |
К их недостаткам следует отнести |
импульс |
ный режим работы при небольшой частоте повторения импульсов и невысокий коэффи циент полезного действия, редко превышаю щий 1 %.
Как уже отмечалось, сотрудники Институ та физики Академии наук БССР Б. И. Степа нов, А. Н. Рубинов и В. А. Мостовников нашли новый уникальный класс активных материа лов — растворы органических красителей. К ним относятся такие известные красители, как метиленовый синий и метиленовый зеле ный, т. е. обычные «синька» и «зеленка», ко торыми мы часто пользуемся в быту. Способ ностью к генерации обладают почти все испро бованные красители (к настоящему времени более сотни). Если сложная молекула такого типа не генерирует, то это исключительное яв ление, требующее специального объяснения.
30
Лазеры на органических красителях обла дают многими преимуществами. Поскольку число красителей очень велико, то удается по лучать генерацию на любой частоте от ультра фиолета до ближней инфракрасной области спектра. Небольшое легко осуществимое изме нение свойств резонатора позволяет плавно перестраивать длину волны в пределах поряд ка 100А. Для большего изменения остается лишь заменить раствор в сосуде. Еще проще получить генерацию сразу на широкой полосе. В отличие, например, от рубина красители очень дешевы. Коэффициент преобразования света таких лазеров в принципе может дости гать 70%, а угол расходимости луча значи тельно меньше, чем у твердотельных генера торов.
Для возбуждения растворов красителей применяется излучение рубинового лазера и импульсных ламп. Генераторы на растворах представляют собой сосуд (кювету), заполнен ный генерирующей жидкостью. Основания со суда, как и торцы рубинового стержня, долж ны быть тщательно отполированы и строго параллельны. Зеркала, образующие резона тор, располагают параллельно основаниям. Излучение накачки рубинового лазера направ ляют либо перпендикулярно, либо параллель но оси резонатора. В первом случае генери руемый поток перпендикулярен возбуждаю
щему.
Газовые лазеры. Применение газовых сме сей в качестве активного вещества дало воз можность построить лазеры непрерывного действия. Газовые лазеры отличаются от гене
31
раторов на твердом теле как способом воз буждения вещества — накачкой, так и непре рывным режимом работы.
Гелий-неоновый лазер — наиболее распро страненный и исторически первый оптический квантовый генератор на газовых смесях. Ак тивной средой в нем служит смесь гелия и неона, которая наполняет стеклянную трубку при давлении порядка 1 мм ртутного столба.
В первом |
лазере |
Джавана |
использовалась |
|
стеклянная |
трубка |
длиною |
1 м |
и диамет |
ром 1 см, которая наполнялась |
смесью гелия |
|||
и неона в |
соотношении 10: 1. В |
настоящее |
время длина активного слоя газовых лазеров изменяется от десятков сантиметров до не скольких метров. Создан лазер с длиной труб ки 5 см и мощностью генерируемого излуче ния в 5 мет. Существуют лазеры на смеси углекислого газа с азотом. При длине газо разрядной трубки, равной 10 м, они могут развивать мощность излучения в непрерыв ном режиме до 1000 вт.
Газовая смесь обычно возбуждается высо кочастотным электромагнитным полем, кото рое вызывает электрический разряд в трубке. В результате столкновений быстролетящих электронов с атомами газа и перераспределе ния энергии между частицами происходит их возбуждение — создается активная среда, в которой число атомов на верхнем уровне боль ше, чем на нижнем. При наличии отражаю щих зеркал, т. е. резонатора, такая среда ге нерирует свет (см. рис. на стр. 33).
В первых газовых лазерах отражающие зеркала монтировались внутри газоразрядной
Картографирование морского дна
Локация луны
трубки. Это сильно усложняло юстировку зеркал и приводило к их загрязнению и порче. В настоящее время в газовых лазерах исполь зуются обычно внешние зеркала.
Газовые лазеры в отличие от твердотель ных, как правило, генерируют излучение в
Газонаполненная трубка
Схема газового лазера
разных областях спектра. Так, например, ге- лий-неоновый лазер наряду с ярко-красным светом видимой области спектра (длина вол ны 1=0,633 мкм) генерирует излучение в инфракрасной области с 1=1,15 мкм и 1= = 3,39 мкм.
Газовые лазеры дают большое число ли ний когерентного излучения. Уже сейчас от них получено более 200 линий, начиная от ультрафиолетового излучения с длиной вол ны 1 = 0,3 мкм до далекого инфракрасного с 1=133 мкм. В качестве активного вещества, кроме гелий-неоновой смеси, в настоящее вре мя применяется много других смесей и чистых газов, в частности чистый гелий, неон, ксенон, аргон, криптон, пары ртути и т. п.
Газовая смесь может возбуждаться не только высокочастотным полем, но и проходя щим через нее постоянным током. В некото рых случаях в газоразрядную трубку впаива
3. З ак . 381 |
33 |
ется еще один электрод — сетка, которая мо жет изменять энергию возбуждения и, следо вательно, величину генерируемого светового потока — модулировать его. Ширина энерге тических уровней газов очень мала, поэтому для их возбуждения невыгодно использовать оптическую накачку. Оптическое возбуждение используется лишь в отдельных случаях, в
частности |
в лазерах на парах металлов цезия |
и рубидия |
и на смеси хлора и водорода. |
Газовые лазеры работают как в непрерыв ном, так и в импульсном режимах. Мощность их излучения при работе в непрерывном режи ме значительно ниже мощности твердотельных лазеров и изменяется от десятых долей мил ливатта до десятков, а в некоторых случаях и сотен милливатт. Исключение составляет ла зер на углекислом газе, мощность которого доходит до 1000 вт.
В импульсном режиме мгновенная мощ ность излучения газовых лазеров значительно больше, чем в непрерывном. В противополож ность твердотельным они могут работать с очень большой частотой повторения, доходя щей до 2000—5000 импульсов в секунду. Даль нейшее увеличение числа импульсов сни жает к. п. д.
Коэффициент полезного действия всех га зовых лазеров, кроме лазеров на СОг, значи тельно ниже, чем генераторов на твердом теле, и составляет примерно 0,01%. Генераторы на смеси СОг и N2 дают высокий к.п.д. — около
10-15% .
Угол расходимости излучений ОКГ на га зовых смесях меньше, чем у твердотельных
34
генераторов, и составляет минуты и даже секунды. Спектральная линия примерно в 1000 раз уже. Ее ширина изменяется в преде лах от 0,5 до 10 кгц.
Создание лазеров, в которых роль актив ной среды играют ионизированные атомы, по зволило увеличить мощность генерируемого излучения в непрерывном режиме. Основное преимущество ионных лазеров состоит в том, что они дают излучение во всем видимом спектре от красного до синего света (и даже ультрафиолетовое излучение) при мощностях, значительно превышающих мощность гелийнеоновых лазеров. В частности, получено
около 60 линий |
в интервале длин волн |
от |
1 = 0,33 до 0,8 |
мкм на ионизированном |
ге |
лии, аргоне, криптоне, ксеноне, неоне. Ион ный лазер на аргоне генерирует, например, в сине-зеленой части спектра 6 линий. Особую ценность представляет зеленое излучение это го лазера 1 = 0,515 мкм, так как оно почти не ослабляется водой и поэтому может быть использовано, в частности, для подводной ло кации и связи.
Ионные лазеры могут работать в непре рывном и в импульсном режимах. В импульс ном режиме их мгновенная мощность дости гает нескольких сотен ватт. Коэффициент по лезного действия в данном случае не очень высок и составляет несколько сотых процен та. Предполагается, однако, что он может быть значительно увеличен.
Лазер на углекислом газе генерирует инфракрасное излучение с длиной волны 1=10,6 мкм. Такое излучение практически не
з* |
35 |