Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

ся снова в основное состояние, но большая часть в результате безиз-

пределяются по уровням 2А и Е, так что между ними существует термо­ динамическое равновесие, и населенности этих уровней распределены по закону Больцмана.

На примере кристалла рубина можно сформулировать общие требования, предъявляемые к веществу, которое предполагается ис­ пользовать в качестве активного лазерного вещества.

Наличие метастабильного уровня, который может служить верх­ ним уровнем рабочего перехода (Е для рубина), является первым не­ пременным условием того, что данное вещество может быть использова­ но как активное вещество в квантовых генераторах. Такой уровень позволяет накопить на нем достаточно большое число активных ча­ стиц. Желательно, чтобы время жизни метастабильного уровня опре­ делялось в основном радиационными, а не безизлучательными пере­ ходами (именно так и обстоит дело с уровнем рубина ^ . Действитель ­ но, пусть время жизни на метастабильном уровне т определяется излу-

192

так называемой «матрицы» (А12 03 ) и 2) небольшой примеси ионов активного вещества (Сг3 + ).

В других активных веществах используются другие «матрицы»,

честве «матрицы» активных веществ для лазеров на твердом теле используются также различные стекла. В состав некоторых из них входят:

1)К — В а —Si,

2)La—Ва—Th — В,

3)Yb — Na — К — Ва — Si.

Вкачестве активных ионов, кроме иона Сг 3 + , используются трех­

трицы» и в стекла и не уступает, пожалуй, иону С г 3 + в смысле прак­ тической важности и широты использования.

§7.2. Источники и системы накачки лазеров на ионных кристаллах и стеклах

Для возбуждения лазеров на ионных кристаллах и стеклах ис­ пользуется метод оптической накачки, а для реализации его необхо­ димы достаточно интенсивные источники накачки. Важно, чтобы основ­ ная масса излучаемой этими источниками энергии попадала в полосы поглощения активного вещества и тем самым эффективно использо­ валась для создания инверсной населенности в системе рабочих уров­ ней.

Чтобы понять, какие источники излучения нам нужны, представим себе, что в нашем распоряжении есть абсолютно черное тело. Как известно, максимум излучения его лежит на длине волны Я т а х , опре­ деляемой законом Вина:

Используя формулу (7.1), выясним, какие источники излучения нам нужны.

Вольфрамовая нить электрических ламп накаливания имеет обыч­ но температуру 2500—3000° К. Посмотрим.'на какой длине'волны лежит максимум излучения таких ламп. Пусть Т = 3000° К- Тогда' из фор­ мулы (7.1) следует, что Х ю а х = 0,916 мкм. Вспомним, что для кри-

194

сталла рубина полосы поглощения лежат в области 0,410 мкм и 0,560 мкм. Таким образом, максимум излучения электрических ламп накаливания лежит далеко от полос поглощения.

Для того чтобы максимум излучения источника лежал в области

должна быть около 10 000° К.

Эффективные температуры излуче­ ния 5000—10 000° К реализуются в излучении газоразрядных ламп. Ха­ рактеристики таких ламп зависят от состава, давления газа, режима пи­ тания и т. д. Достаточно хорошими газоразрядными лампами являются ксеноновые. Если определить к. п. д. лампы как отношение излучаемой лампой энергии к электрической энер-

гни, запасенной в питающем лампу конденсаторе, то^окажется, что ксеноновые лампы обладают наиболее высоким к. п. д. (до 50%).

Однако мало иметь хорошую лампу накачки. Необходимо, чтобы как можно большая часть энергии, излученной лампой, попала в ак­ тивное вещество, или, как иногда говорят, «была передана» в активное вещество. Для этого используются различные отражающие и фокуси­ рующие устройства, называющиеся системой накачки.

На рис. 7.2 показан цилиндрической отражатель, применявшийся в первых образцах оптических квантовых генераторов с газоразряднымы лампами спиральной формы. Внутри лампы показан стержень активного вещества. Излучение лампы, не поглотившееся активным веществом сразу же по выходе из лампы, отражалось от стенок отра­

Система накачки, показанная на рис. 7.2, не очень эффективна, и в на­ стоящее время применяют целый ряд гораздо более эффективных систем.

На рис. 7.3 показаны две эффективные [системы накачки. На рис. 7.3, а приведена так называемая система с «плотным заполне­ нием». Линейная лампа и кристалл расположены рядом внутри узкого отражателя. Сечение отражателя представляет собой эллипс или цилиндр. Сам отражатель часто изготовляется из серебряной или алю­ миниевой фольги.

На рис. 7.3, б показана схема четырехэллипсного рефлектора, образованного четырьмя эллиптическими цилиндрами (цилиндров может быть и два). Лампы располагаются в одном из фокусов каждого эллипса, а активное вещество в другом (общий фокус всех четырех эллипсов).

На схеме показана только спиральная лампа-вспышка, но из пре­

Перечисленные элементы необходимы для работы любого лазера, хотя в других (не рубиновых) лазерах вместо лампы-вспышки может использоваться иной источник возбуждения, а в зависимости от воз­ никающих задач в принципиальную схему вносятся дополнительные элементы. Туда может входить система охлаждения активного вещест­ ва и системы накачки, различные оптические элементы, которые могут располагаться как внутри резонатора лазера, так и вне его и т. д.

196