Задача 17. Лазер на рубине. (Задачи атомного практикума), страница 4

Электроны внутренних оболочек атома, сильно связанные, экранируются внешними электронами, поэтому они слабовзаимодействуют с кристаллическим полем, и связанные с ними энергетические уровни расширяются незначительно. Наибольшее уширение испытывают уровни, соответствующиевнешним, слабее связанным, электронам в атоме. Таким образом, спектр поглощения (излучения) кристалла должен состоять из отдельных полос и резких линий поглощения (излучения), ширина которых зависит от ширины соответствующихэнергетических уровней.

На рис.11а изображена схема уров3+ней энергии иона хрома Crв рубине.Обычно рубин возбуждается излучением мощной лампынакачки. При этом излучение поглощается в двух широких по-1Прежде чем ознакомиться с описанием данной задачи, необходимо изучить работу ОКГ, изложенную во введении к лабораторной работе № 17.2Рубин - кристалл окиси алюминия, в котором часть атомов Al за3+3+( Al2O3 : Cr )мещена ионами Cr23лосах, соответствующих переходам ионов из основного состояния E0 в состояния E 3 и E 4 .Центральным частям этих полос поглощения соответст°°вуют длины волн λ1 = 4100 A и λ1 = 5600 A ; ширина каж°дой из них ≈ 1000 A .В течение малого времени одна часть возбужденных ионов изсостояний E3 и E4 возвращается в основное состояние E 0 ,а другая часть переходит в состоянияниеE0E 1,2 .

Переход в состоя-радиационный, сопровождается излучением света;переходы в состоянияE 1,2- безызлучательные. Энергия притаком переходе передается кристаллической решетке.Вероятность безызлучательного перехода E3,4 → E1,2(2 10 7 c-1) значительно больше, чем вероятность радиационного перехода E3,4 → E1,2 (3 10 5 c-1).

Поэтому ионы хрома изсостояний E 3, 4 будут, в основном , переходить вРис.11. Реальная (а) и модельная (б) схема уровней и переходов в ионе хромаCr 3+в рубине.24состояния(переходыE 1,2 . Состояния E 1,2 являются метастабильнымиE 1,2 → E 0 запрещены правилами отбора для ди-польного излучения), то есть, в этих состояниях ионы хрома−3могут находиться сравнительно долго ( ≈ 10 c) . Переходаммежду уровнями E 1 , E 2 и основным состоянием E 0 соответствуют линии излучения R1 и R2 с длинами волнλ1 = 6943 A° и λ 2 = 6929 A° .

Каждая из этих линий, в своюочередь , дублетная, потому что основное состояние - дублет(состоит из двух близко расположенных подуровней, расстоя−1ние между которыми равно 0,38 см ). При комнатной температуре тонкую структуру R - линий наблюдать нельзя из-за−1их большой спектральной ширины ( ≈ 11 см ).

Лазерное излучение в рубиновом кристалле, в принципе, может быть получено на обеих R 1 и R 2 - линиях. Однако практически всеОКГ работают на линии R 1 , так как на ней проще осуществить инверсную населенность. Это обусловлено тем, что вероятность перехода для линии R 1 больше, чем для линии R 2 .Кроме того, время релаксации частиц между уровнями E 1 иE 2 очень мало (меньше 10 − 7 c ). Поэтому между ними оченьбыстро устанавливается термодинамическое равновесие, и соотношение населенностей подуровней определяется закономБольцмана.При достижении инверсной населенности генерациявозникает на линии R 1 , это будет препятствовать достижениюпорога генерации на линии R 2 (из-за малого времени релаксации опустошение подуровня E 1 повлечет за собой опустошение подуровня E 2 ).

(Генерация на линии R 2 может бытьполучена в том случае, если пороговая инверсия для линииR 2 будет много меньше, чем для линии R 1 ). Таким образом,рубиновый ОКГ работает по трехуровневой энергетическойсхеме, см. рис.3а и 11б.25При поглощении излучения ионы хрома из основногосостояния 1 переходят на энергетические уровни, лежащие взаштрихованной энергетической зоне 3.

Уровни зоны 3 являются вспомогательными и используются только для возбуждения ионов хрома. В течение малого времени часть возбужденных ионов переходит на уровень 2, а остальные - на уровень 1. Уровень 2 - метастабильный - вероятность спонтанногоперехода с уровня 2 на уровень 1 мала. Благодаря этому происходит накопление большого числа ионов хрома в состоянии2, а при определенной мощности лампы накачки достигаетсяинверсная населенность уровней 1 и 2, и система оказываетсяспособной под действием излучения частоты ν 1, 2 перейти всостояние 1, генерируя при этом мощное монохроматическое°излучение с длиной волны λ 1 = 6943 A .

Большое время−3жизни τ 2 ( τ 2 ≈ 10 c ) верхнего рабочего уровня 2 рубинового (или другого твердотельного) лазера (ОКГ) ответственноза ряд особенностей его генерации. Коротко познакомимся снекоторыми из них. Большое время жизни верхнего рабочегоуровня рубинового лазера позволяет получать так называемыегигантские импульсы - световые импульсы сверхвысоких14мощностей (до 10Вт и более). Режим гигантского импульса реализуется при модуляции добротности - управляемом изменении порога генерации.Принцип работы лазера при модуляции добротностиследующий. Допустим, что внутри лазерного резонатора помещен затвор.

Если затвор закрыт, то генерация не возникает иинверсная населенность за время ≈ τ 2 может достигнутьочень большой величины. Если теперь затвор “быстро” открыть, то накопленная энергия выделится в виде короткого(длительностью порядка нескольких наносекунд) и интенсивного импульса. Для модуляции добротности используютсяэлектрооптические затворы (основанные на эффекте Керра),оптико-механические затворы (механические способы модуляции добротности например, путем вращения с большой скоростью выходного зеркала) и др. Лазеры, работающие в режиме гигантского импульса, находят широкое практическое применение (точная механика, микроэлектроника, медицина идр.).26Большое время жизни τ 2 верхнего рабочего уровня 2рубинового (или другого твердотельного) лазера в сочетании сбольшой скоростью накачки ответственны за пульсирующийхарактер установления генерации лазера.

Убедимся в этом.Предположив, что лазер генерирует на одной моде, рассмотрим начало генерации.В первые мгновения после включения лампы накачкинаселенность N 2 верхнего рабочего лазерного уровня растетлинейно (влияние спонтанного излучения незначительно, поскольку τ 2 велико).

В момент времени, когда инверсная населенность ∆N станет равной пороговой ( ∆N = ∆N пор ), ин-тенсивность излучения J лазера начнет возрастать из-за индуцированных переходов, рост населенности ∆N замедляется изатем прекращается, когда скорость опустошения уровня индуцированным излучением становится равной скорости егонакачки; при этом интенсивность излучения лазера J продолжает расти , так как ∆N > ∆N пор , см.

рис.12.Возникший мощный пик генерации быстро уменьшаетинверсную населенность ∆N до уровня ниже порога (активная среда теперь не усиливает излучение) и вскоре сам затухает.Накачка снова увеличивает инверсную населенность доуровня выше порога – возникает второй пик генерации и т.д.После короткого импульса накачки в случае отсутствиярезонатора возникает экспоненциально затухающее спонтанное излучение ( люминесценция ) , см.

рис. 13. Зависимостьлогарифма интенсивности спонтанного излучения от временипозволяет измерить время жизни τ 2 верхнего рабочего уровня 2 лазера.В настоящей работе исследуются следующие характеристики ОКГ на рубине:1. Порог генерации, длительность и форма генерируемогоимпульса.2. Энергия пакета импульсов и коэффициент полезного действия ОКГ.3. Спектральная ширина генерируемой линии.4.

Время жизни верхнего лазерного уровня рубина.27Рис. 12. Вид временной зависимости инверсной населенности и интенсивности генерируемого излучения J в лазере, работающем на одной моде;а - мощность накачки, б - поведение инверсной населенности без генерации, в - инверсная населенность при генерации, г - мощность генерации,горизонтальная линия – уровень пороговой инверсной населенности.Рис.13. Спонтанное излучение ( люминесценция ) рубина.282. Экспериментальная установка.Схема установки представлена на рис.14.Рис. 14.

Схема установки: 1 - кристалл рубина; 2 - зеркала резонатора; 3 лампа накачки; 4 - эллиптический отражатель; 5 – блок питания лазера; 6– ЛАТР; 7 - отклоняющая плоскопараллельная пластинка; 8 - ФЭУ; 9 блок питания; 10 - катодный повторитель; 11 –компьютер с осциллографической платой ( АЦП ); 12 - датчик измерителя мощности; 13 - измеритель мощности; 14 - конденсор; 15 - эталон Фабри-Перо; 16 – объектив; 17 – кассета .В работе используется рубиновый лазер “Арзни-206”.Его активным элементом является кристалл рубина 1 длиной80 мм, диаметром d=6,5 мм, расположенный между плоскопараллельными зеркалами 2 (см.рис.14).

Для вывода излученияодно из зеркал сделано полупрозрачным. Кристалл помещен водном из фокусов отражателя 4, выполненного в виде эллиптического цилиндра, в другом находится лампа накачки 3.Лампа дает излучение в достаточно широкой области спектра,максимум интенсивности которого лежит довольно близко кобласти длин волн, соответствующих переходу 1 → 3 (см.рис. 11б). Зарядное напряжение на батарее конденсаторов (питающей лампу накачки во время импульса) измеряется вольтметром, расположенным на лицевой панели прибора “Арзни206”.Источник питания лампы, представляющий собой полупроводниковый выпрямитель с батареей конденсаторов С =1300 мкф, вынесен в отдельный блок.

Входное напряжение навыпрямителе может изменяться с помощью ЛАТР 629(см.рис.14). При этом напряжение на батарее конденсаторов достигает 1000 В !!!Рубиновый кристалл охлаждается проточной водой, заподачей и напором которой следит дежурный инженер. Запусклазера осуществляется кнопкой “пуск”. Лазер “Арзни-206”может работать как в однократном импульсном режиме, так ив режиме повторяющихся импульсов с частотой 2 Гц.

В работеиспользуется только однократный импульсный режим. Генерируемый импульс излучения, отразившись от стекляннойплоскопараллельной пластинки 7, установленной под углом в45o к оси лазера 3 (см.рис.14), попадает на пластинки интерферометра Фабри-Перо 15, а затем на фотопластинку 17. Частично отразившись от первой пластинки интерферометра, лучпопадает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-16) 8(рис.14). Сигнал с ФЭУ через катодный повторитель 10 по коаксиальному кабелю попадает на осциллографическую платукомпьютера 11 (рис.14). Типичная картина, наблюдаемая наэкране монитора, представлена на рис.12г.