Файл: Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы.pdf

Чем же кончается нарастание интенсивности свето­ вого поля в О КГ? Здесь взрыва не бывает. Происходит настолько быстрое излучение атомов, находящихся на верхнем уровне, что их концентрация падает, вследствие чего снижается усиление в среде, зависящее от инверсии заселенности уровней. Среда как бы «высвечивается», истощается. В конце концов наступает режим устано­ вившихся колебаний: коэффициент усиления компенси­ рует потери при отражении от зеркал и при выводе части энергии наружу для практического использования. Вы­ вод энергии осуществляется так, как показано на рис. 3: одно из зеркал не только отражает, но и пропускает не­ большую долю (от 1 до 10 процентов) падающего света.

Таков принцип действия оптических квантовых гене­ раторов. Как мы видим, в их работе существенную роль играет индуцированное испускание. Поэтому оптический квантовый генератор имеет второе название — «лазер». Оно складывается из первых букв пяти слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает— «усиление све­ та путем индуцированного испускания». В обычных источниках атомы излучают свет хаотически, независи­ мо друг от друга, а в лазерах — как бы «по команде», и поэтому излучение в О К Г получается монохроматиче­ ским и когерентным.

Разницу между спонтанным излучением и когерент­ ным лучом лазера можно понять из следующей анало­ гии. Представим себе большое число барабанщиков, бьющих по барабанам независимо друг от друга. Их удары сливаются в общий гул, сила его изменяется со­ вершенно случайно; ничего нельзя также сказать и о частоте ударов. Это соответствует спонтанному излуче­ нию. Другое дело, когда все барабанщики будут произ­

18

сказать силу звука в любой момент времени. Точно так же излучение О К Г имеет определенную частоту и может быть предсказана фаза колебаний в любой точке луча О К Г в любой момент времени.

Несмотря на сравнительную простоту устройства ла­ зеров и на то, что индуцированное излучение известно уже почти полвека, создание первых оптических кванто­ вых генераторов потребовало огромной работы физиков и инженеров. Большой вклад внесли советские ученые А. М . Прохоров, Н . Г. Басов и В. А . Фабрикант. В част­ ности, профессор В. А. Фабрикант еще в 1939 году пред­ принял попытку получить усиление света в среде с ин­ версией заселенности. В 1952 году ему, а также М . М . Вудынскому и Ф. Т. Бутаевой, было выдано авторское свидетельство на открытие этого нового принципа усиле­ ния электромагнитных волн. Среди зарубежных иссле­ дователей необходимо отметить американских ученых А. ¡Павлова, С. Таунса и Т. Меймана.

ОКГ НА РУБИНЕ

Первый оптический квантовый генератор изготовлен Т. Мейманом в 1960 году. В его лазере использовался кристалл рубина. В настоящее время создано большое число других типов О К Г, но генератор на рубине остает­ ся одним из самых лучших.

Рубин — кристалл окиси алюминия (А120з), в кото­ ром часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Чистая окись алюминия — сапфир, он пропускает свет от ультрафиолетового до инфракрасного. Небольшая до­ бавка хрома в сильной степени изменяет его оптические свойства. Ювелирный рубин обязан своим красным цве­

хрома и представляет собой полупрозрачный бледно-ро­ зовый кристалл.

На рис. 4 показана упрощенная схема уровней ионов хрома в кристалле рубина. Основному состоянию иона хрома соответствует уровень 1; заштрихованная область 3 и уровень 2 соответствуют возбужденным состояниям иона хрома. Если осветит-ь кристалл рубина зеленым светом, то ионы хрома с уровня 1 будут переходить в возбужденные состояния, лежащие в заштрихованной области. Этот процесс называется оптической подкачкой.

Из возбужденных состояний 3 ион хрома может переходить обратно в основное с излучением таких же квантов или в состояние 2. Эксперименты показали, что вероятность второго процесса значительно больше веро­ ятности первого. Подавляющая часть ионов, возбужден­ ных зеленым светом, оказывается на уровне 2. Переход

20

из области 3 на уровень 2 происходит без излучения фотонов, разность энергии Ез — Ег переходит в тепло: кристалл нагревается.

Уровень 2 состоит из двух близко расположенных

жизни большое — около трех миллисекунд, поэтому во время оптической подкачки происходит накопление ионов на уровне 2. В определенный момент времени количество ионов на уровне 2 превзойдет количество ионов на уровне 1. Этим самым будут созданы условия для

уровня 1, дает возможность усиливать излучение с часто­ той, соответствующей переходам с уровня 2 на уровень 1. Особенно легко получить генерацию и большую мощ­ ность излучения на линии

Для подкачки используют импульсные ксеноновые лампы-вспышки. По конструкции и схеме включения они похожи на обычные лампы, применяемые в фотографии. Они излучают фотоны с различными частотами. Чем шире полоса поглощения в кристалле, тем большая часть фо­ тонов от лампы-вспышки будет поглощена и тем боль­ шая часть ионов будет переведена в возбужденное со­ стояние. Кристалл рубина обладает достаточно широкой полосой поглощения, что позволяет эффективно исполь­ зовать фотоны, излучаемые лампой-вспышкой. Большое время жизни уровня 2, которое способствует накоплению ионов на этом уровне, широкие полосы поглощения, об­ легчающие оптическую подкачку и дающие возможность создать большую скорость возбуждения уровня 2,— все это делает кристалл рубина прекрасным материалом для оптических квантовых генераторов.

21

^^ Д>1____ __ ^ § 2 ? !! - ? ^ -----Выходной

Рис. 5.

На рис. 5 изображено схематическое устройство од­ ного из квантовых генераторов на рубине. Из рубиново­ го кристалла выточен стержень. Торцы его отшлифованы параллельно друг другу с очень высокой точностью и посеребрены так, что сам кристалл представляет собой резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркальных покрытий слегка пропускает свет. Рубиновый стержень и лампавспышка помещены в фокусах эллиптического отража­ теля: так достигается фокусировка излучения лампывспышки на стержень.

22

Рубиновый О К Г работает в импульсном режиме. Лампа подкачки дает очень сильный свет в тот момент, когда через нее проходит электрический заряд, накоплен­ ный в специальном конденсаторе с емкостью в несколь­ ко сотен микрофарад. После окончания вспышки кон­ денсатор снова заряжается выпрямителем, питающимся от сети переменного тока. Момент зажигания лампы под­ качки определяется подачей на лампу пускового высоко­ вольтного импульса. Через некоторое время после зажи­ гания лампы подкачки рубиновый стержень дает очень яркую вспышку, импульс красного света.

Продолжительность импульса О К Г — тысячные доли секунды. В течение этого времени наблюдаются отдель­ ные всплески излучения, называемые «пичками», дли­ тельность которых составляет десятимиллионные доли секунды. На рис. 6 показана осциллограмма интенсив­ ности луча ОКГ в зависимости от времени.

Причина пульсаций излучения лежит в структуре уровней ионов хрома. Большое время жизни уровня 2 и ширины линии, соответствующая переходу с уровня 2 на. уровень 1, создают такие условия, что в момент начала

Рис. б.

23

генерации скорость ухода ионов с возбужденного уров­ ня становится значительно выше скорости поступления ионов на этот уровень. Оптическая накачка не успевает в процессе генерации поставить новую порцию ионов на уровень 2, среда «высвечивается», инверсия заселенно­ сти падает, коэффициент усиления света в среде стано­ вится недостаточным для покрытия потерь в резонаторе, генерация срывается. Необходимо некоторое время пос­ ле срыва, чтобы генерация могла возникнуть снова. Это время тем меньше, чем интенсивнее оптическая накачка.

Рубиновый генератор можно заставить работать и без пульсаций. Для этого в резонатор между зеркалами вво­ дят специальное устройство (ячейку), которое в нуж­ ные моменты ослабляет поле в резонаторе для того, что­ бы оно находилось в равновесии с активной средой, т. е. чтобы скорость ухода ионов с уровня 2 точно равнялась скорости их поступления.

Угловая расходимость светового пучка генератора равна примерно 0,01 радиана (1 рад^ 57 град). На рас­ стоянии километра диаметр луча не будет превышать 10 метров. Но с помощью специальных оптических си­

24