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

ность около 10 киловатт. В настоящее время достигнутоогромное увеличение этой цифры, главным образом за счет укорочения длительности импульса излучения при неизменной энергии его Это стало возможным после разработки метода ¿мгновенного увеличения добротно­ сти резонатора О КГ. Добротность — это параметр резо­ натора, характеризующий его качество: чем меньше за­ тухание волны в резонаторе, тем больше его добротность. Суть метода заключается в том, чтобы резко увеличить добротность в момент максимальной заселенности верх­ него уровня.

Для быстрого переключения добротности одно из зер­ кал резонатора О К Г приводится во вращение. Генерации возможна лишь в те миллионные доли секунды, когда вращающееся зеркало будет параллельно неподвижно­ му. При большой скорости вращения зеркала возникают

*гигантские импульсы излучения длительностью менее од­ ной стомиллионной доли секунды. Наибольшая мощность излучения, полученная таким способом, доходит до мил­ лиардов ватт. Она примерно равняется мощности круп­ нейших современных электростанций.

Несмотря на большую мощность и ряд других досто­ инств лазеров' на рубине, такие О К Г не могут удовле­ творить все потребности современной техники. В связи с этим появляется необходимость создания оптических, квантовых генераторов на иные длины волн, иные мощ­ ности, режимы работы и т. д.

ДРУГИЕ ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

В настоящее время предложены разнообразные ак­ тивные среды для лазеров. Это и кристаллы, и аморф­

ные твердые тела (стекло, пластмасса), и жидкости, и газы.

25

Вскоре после создания первых оптических квантовых генераторов на рубине, где активным веществом являют­ ся ионы хрома, была получена генерация на ионах ред­ коземельных элементов — неодима, европия, диспрозия,

гольмия...

Структура уровней редкоземельных элементов су­ щественно отличается от уровней ионов хрома в рубине. Если для получения инверсии заселенности в рубине на­ до перевести в возбужденное состояние больше полови­ ны ионов хрома, то здесь инверсии добиться легче, таккак рабочий переход осуществляется не на основной уровень, как в рубине, а на уровень, расположенный -несколько выше основного и заселенный незначительно.

Ионы редкоземельных элементов могут быть введе­ ны в различные кристаллы или в стекло. Хорошо заре­ комендовал себя лазер на стекле с примесью неодима (N6). Он генерирует инфракрасное излучение с длиной

волны 1,06 микрона.

Один из новейших квантовых генераторов — генера­ тор с использованием ионов европия (Ей). Нижние уровни ионов европия, соответствующие рабочим пере­ ходам, расположены достаточно высоко над основным уровнем энергии. При комнатных температурах этот уровень почти не заселен, благодаря чему появление не­ большого количества возбужденных атомов приводит к инверсии заселенности. Однако в большинстве кристал­ лов ионы европия имеют очень узкие полосы поглоще­ ния, и поэтому значительная часть фотонов, излучаемых лампой-вспышкой, не поглощается и не производит воз­

буждения.

Выход был найден в применении сложных химиче­ ских соединений, известных под названием хелатов. Ионы европия вводятся в состав этих органических мо-

.лекул. Последним присущи широкие полосы поглощения в ближней ультрафиолетовой области. Поглощенная

26

энергия передается ионам европия, которые переходят в возбужденное состояние. Были созданы оптические кван­ товые генераторы на ионах европия в жидкостях и пластмассах.

Особенно много новых частот генерации получено в результате использования атомов и молекул газов.

Для возбуждения свечения газов применяется обыч­ но не оптическая накачка, а газовый разряд. В нем за­ селение уровней происходит главным образом благода­ ря соударениям атомов с электронами. Эффективный механизм получения инверсии заселенности уровней был придуман для первого газового лазера, построенно­ го в 1961 году американскими учеными А. Джаваном, В. Беннетом и Д . Герриоттом. Конструкция этого лазера упрощенно изображена на рис. 7.

Он состоит из кварцевой трубки диаметром 15 мм и длиной около метра. Трубка наполнена смесью инерт­ ных газов гелия и неона в отношении 10 : 1, общее давле­ ние равно 1 мм ртутного столба. Снаружи на трубку на­ деты 3 металлических кольца — электроды, к ним под-

Д генератору 8 а

27

водится напряжение высокой частоты (30 мггц) от специального генератора с мощностью примерно 100 ватт. При включении этого генератора в трубке возбуждается

газовый разряд.

На кольцах трубки — там, где кончается область раз­ ряда,— находятся зеркала, образующие резонатор. Зер­ кала закреплены в специальных регулируемых головках, обеспечивающих очень высокую точность настройки зер­ кал параллельно друг другу. Добротность резонатора очень сильно зависит от степени параллельности зеркал: достаточно перекосить их хотя бы на несколько угловых секунд, как лазер перестает генерировать.

Интересная особенность первого газового лазера — необычная конструкция зеркал. Дело в том, что если взять посеребренные или алюминиевые зеркала, то лазер не будет работать: коэффициент отражения этих зеркал не очень велик, порядка 90%, т. е. 10% падающей энер­ гии бесполезно теряется при отражении. Такие потери не могут быть компенсированы усилением в среде: оно составляет всего 5—6%. Поэтому были применены спе­ циальные интерференционные зеркала из тринадцати тонких слоев, нанесенных на кварцевую или стеклянную пластинку. Материал и толщина каждого слоя выбира­ лись таким образом, чтобы в результате сложения отра­ жений от границ слоев получить почти полное отраже­ ние падающего света. И действительно, на рабочей дли­ не волны лазера зеркала дали коэффициент отражения 99%. Вывод излучения наружу происходит через эти же зеркала: они пропускают несколько десятых доли процен­ та, чего уже достаточно, чтобы заметить генерацию и из­

мерить ее мощность.

Познакомимся с механизмом работы такого генера­

тора.

На рис. 8 представлены упрощенные схемы нижних уровней атомов гелия (Не) и неона (N6).

28

При возбуждении газового разряда в неоне часть ато­ мов, бомбардируемых электронами, переходит в возбуж­ денное состояние и начинает излучать свет. Было замече­ но, что время жизни атомов в состоянии 4 (10~7сек) в де­ сять раз больше, чем на уровне 3. Если каким-то спосо­ бом создать лучшие условия возбуждения уровня 4, чем уровня 3, то можно добиться инверсии заселенности этих уровней.

МетастаВильные

уроЬни

Рис. 8.

Такой способ был предложен А Джаваном. Он зак­ лючается в возбуждении атомов неона путем столкнове­ ний с возбужденными атомами гелия. Дело в том, что в гелиевом разряде накапливается много возбужденных атомов в метастабильном состоянии 2, имеющем относи­ тельно большое время жизни. Если возбудить разряд з

29

смеси Не — N 0, то возбужденные метастабильные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона в основном состоя­ нии, будут передавать свою энергию возбуждения и пе­ реводить атомы неона в состояние 4. Энергия уровня 2 ге­ лия почти точно соответствует энергии уровня 4 неона,, поэтому процесс передачи возбуждения от гелия к неону будет происходить с большой вероятностью.

Таким образом осуществляется избирательное воз­ буждение уровня 4, что значительно облегчает созданиеинверсии между уровнями неона 4 и 3 (атомы Не не уве­ личивают заселенности уровня 3). Уровни 4 и 3 неона состоят из целого ряда самостоятельных подуровней, поэтому переходу 4—3 соответствует целый набор длин волн, лежащих в инфракрасной области. Самая силь­ ная генерация наблюдалась на длине волны 1,152 ми­ крона.

В этой же смеси удалось добиться инверсии между уровнями 5 и 3: возбуждалась генерация с длиной волны 0,63 микрона (красный цвет).

В дальнейшем генерация была получена на многих инертных и некоторых других газах. Всего с газами най­ дено несколько сотен линий генерации, от ультрафиоле­ товой до далекой инфракрасной области.

Важной особенностью большинства газовых лазероа является то, что они работают не в импульсном, а в не­ прерывном режиме. Другая, очень важная их черта — ис­ ключительно высокая монохроматичность излучения. Не­ смотря на маленькую (относительно импульсных лазе­ ров) мощность излучения — порядка сотых долей ватта, газовые лазеры незаменимы по своей монохроматич­ ности, стабильности и направленности излучения. Эта выяснилось в первых экспериментах с газовыми ла­ зерами.

Устойчивость частоты генерации зависит от стабиль­ ности расстояния между зеркалами. Поэтому высокая

30

монохроматичность излучения ОКГ может быть исполь­ зована лишь в условиях, устраняющих все причины изме­ нения этого расстояния.

В одном из экспериментов гелиево-неоновый генера­ тор помещался глубоко под землей, вдали от дорог. В сейсмически спокойные моменты было получено изме­ нение частоты всего 30 гц за секунду. Напомним, что час­ тота генерации гелиево-неонового лазера равна прибли­ зительно 3- 1014 гц. Так что изменение частоты соответ­ ствовало очень малому относительному уходу частоты генерации, равному Ю-13. Это означало, что расстоя­ ние между зеркалами изменялось в течение одной секун­ ды на величину, составляющую тысячные доли диаметра: атома.

Все описанные'-тазовые и твердотельные оптические квантовые генераторы имеют очень низкий коэффициент полезного действия, не превышающий одного процента.

У полупроводниковых лазеров, открытых в конце 1962 года, К П Д измеряется несколькими десятками про­ центов. Коротко пояснить принцип работы их можно сле­ дующим образом.

Известно, что в полупроводниках электроны могут на­ ходиться либо в связанном с атомами состоянии, либо' в свободном. В первом случае говорят, что они находят­ ся в валентной зоне, во втором — в зоне проводимости. Для перевода электрона из валентной зоны в зону прово­ димости необходимо затратить некоторую энергию. Элек­ трон при этом оставляет после себя вакантное место, так называемую «дырку». В данном случае такое возбужде­ ние электронов происходит непосредственно, если прило­ жить к полупроводниковому кристаллу электрическое на­ пряжение.

Обратный процесс перехода электрона из зоны про­ водимости в валентную зону, т. е. из возбужденного в основное состояние, происходит самопроизвольно (спон-

31

танно). Это явление называется рекомбинацией электро­ на с дыркой, причем оно сопровождается излучением фотона. Рекомбинация происходит на границе двух по­ лупроводников разного типа, в р-п переходе. Фотон, из­ лученный в момент рекомбинации электрона с дыркой, стимулирует рекомбинацию других электронов. Возника­ ет индуцированное излучение в плоскости перехода. Теперь достаточно установить параллельные зеркала, т. е. образовать резонатор, чтобы получить генерацию.

Полупроводниковый лазер отличается весьма малы­ ми габаритами (порядка 1 мм3), очень высоким коэффи­ циентом полезного действия, несложной подкачкой (это просто источник тока) и возможностью модулировать — изменять интенсивность излучения, меняя силу проте­ кающего через диод тока. Благодаря этому полупровод­ никовые лазеры найдут широкое применение, хотя по мо­ нохроматичности и когерентности излучения они уступа­

ют газовым.

Эффективность полупроводниковых лазеров на арсе­ ниде галлия (рис. 9) велика: вся энергия электрического

32