Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 177
Текст из файла (страница 177)
Если после включения ламп возбуждения, когда уже создана большая инверсная заселенность уровней рубина, быстро снять напряжение с конденсатора Керра, то линейно- поляризованное излучение рубина сможет свободно распространяться между зеркалами оптического резонатора и возникнет короткий импульс лазерного излучения длительностью порядка 10 8 с. Лазер с элементом Поккельса для модуляции добротности работает аналогично описанному выше.
Заканчивая описание лазеров с оптическим возбуждением кристалла, сделаем некоторые замечания общего характера относительно применения этого метода создания активной среды. Отметим, что в качестве рабочего элемента в лазерах описанного типа с оптическим возбуждением используется не только рубин, но и целый ряд других кристаллов, а также вещества в других состояниях (стекла, газы). Для метода оптического возбуждения существенно использование не менее трех энергетических уровнений атома (см. рис. 40.5).
Важно также, чтобы уровень Е2 был долгоживущим (в трехуровневой системе), а уровни Ез — широкими. В самом деле, при использовании только двух энергетических уровней невозможно создать их стационарную инверсную заселенность за счет оптического возбуждения. Нарастание плотности потока возбуждающего излучения будет увеличивать и число актов поглощения фотонов, и число актов их индуцированного излучения. В результате даже при бесконечной мощности излучения заселенности энергетических уровней станут всего лишь одинаковыми, и их инверсная заселенность не будет достигнута. В том, что разность заселенностей Ж1 — Ж.
не может изменить знак, легко убедиться при помощи общего выражения (224.3) для этой величины. ЛАЗБНЫ, НБЛИНКЙНАЯ ОН'1'ИКА 720 й 227. Гелий-неоновый лазер непрерывного действия Гелий-неоновые лазеры излучают монохроматический, хорошо коллимированный пучок мощностью до нескольких десятков милли- ватт, работают и в импульсном, и в непрерывном режимах, просты и сравнительно безопасны в эксплуатации.
Эти лазеры генерирую г излучение и в видимой, и в инфракрасной областях спектра. В видимой области спектра длина волны их излучения приходится на красную часть спектра (Л = 632,8 нм), в инфракрасной области спектра они генерируют излучение на длинах волн 1150 и 3390 нм. Приборы такого типа стали наиболее распространенным видом лабораторного лазера, когда требования к параметрам излучения ограничиваются указанными выше условиями. Принципиальная схема гелий-неонового лазера изображена на рис. 40.10. Здесь 1 — газоразрядная стеклянная трубка, диаметром Рис. 40.10.
Принципиальная схема гелий-неонового лазера пескОлько миллиметрОв и длиной От нескольких десяхков сантиметров до 1,5 м и более. Торцы трубки замкнуты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, ориентированными под углом Врюстера к оси трубки. Для излучения, распространяющегося вдоль оси трубки и поляризованного в плоскости падения света на пластинки, коэффициент отражания от них равен нулю. Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., давление неона — 0,1 мм рт. ст.
Трубка имеет катод в, накаливаемый низковольтным источником питания, и цилиндрический пустотелый анод 3. Между катодом и анодом на трубку накладывается напряжение 1 — 2,5 кВ. Разрядный ток в ней равен нескольким десяткам милли- ампер. Разрядная трубка гелий-неонового лазера помещается между зеркалами ~, 5.
Зеркала, обычно сферические, делаются с многослойными диэлектрическими покрытиями, имеющими высокие значения коэффициента отражения и почти не обладающими поглощением света. Пропускапие одного зеркала составляет обычно около 2%, другого — — менее 1%. При нагретом катоде трубки и включенном анодном напряжении трубка светится, и в ней отчетливо виден газоразрядный столб розового цвета. По внешнему виду включенная трубка вполне аналогична газоразрядпым неоновым рекламным трубкам. Если через спектроскоп наблюдать ненаправленное свечение этой трубки., то отчетливо видна совокупность многих спектральных линий неона, расположенных в различных областях видимого спектра, и желтые линии свечения гелия.
ГЛ. Х1,. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 721 При правильной ориентации через оба зеркала (но в особенности через зеркало с большим значением коэффициента пропускания) распространяются хорошо коллимированные интенсивные пучки моно- хроматического (красного) света с длиной волны 632,8 нм, Эти пучки возникают в результате генерации излучения гелий-неонового лазера. В его спектре присутствует только тиния с длиной волны 632,8 нм. Для генерации и наблюдения инфракрасного излучения того же лазера необходимо иметь прозрачные для него торцовые окна газо- разрядной трубки, зеркала резонатора с высокими значениями коэффициента отражения в инфракрасной области спектра и, разумеется. приемник, чувствительный к инфракрасному излучению, напри- Не Хе мер, болометр или фотодиод.
сз гз Кратко обсудим процессы, которые обеспечивают инверсную ~р ! 8! 4 заселенность уровней неона. На ! 2! ! ! — — 632,8 рис. 40.11 приведена упрогценная ! !П50 схема уровней энергии атома неона (справа). Излучению с длинами волн 632,8 и 1160 нм соответствуют переходы Ез — «Е1 и Ез — «Е1. Помимо уровней Е4, Ез, Е~, Е1, атом неона имеет езце 28 состоя- ,о ° !о ний с энергиями.
меньшими Ее, ! ! но они для нас несущественны и ! ! ! на рис. 40.11 не указаны. В ре- о !! зультате столкновений с электронами газоразрядной плазмы часть Рис. 40.Ц. Энергетические уровни атомов возбуждается, что отмече- атомов гелия и неона,; числа у стрено на рис. 40.11 вертикальными лок указывают длины волн в нано- штриховыми стрелками. При опре- метрах деленных режимах разряда этот процесс оказывается достаточным для образования инверсной заселенности уровней Ез и Е1. Однако уровни Ез, Е1 и Ез, Е1„переходы между которыми отвечают Л = 632,8 и Л = 3390 нм, заселены не инверсно.
Положение изменяется. если в разрядную трубку ввести гелий. Гелий обладает двумя долгоживущими (метастабильными) состояниями Е~, Ез, показанными на левой части рис. 40.11; эти состояния возбуждаются при столкновениях с электронами, и ввиду большой длительности их существования, концентрация метастабильных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии Ез. Е~ метастабильных состояний гелия очень близки к энергиям Ез, Ез неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при их столкновениях. Эти процессы символизируются горизонтальными штриховыми стрелками. В результате концентрация атомов неона, находящихся на уровнях Ез, Ез, резко увеличивается, и возникает инверсная заселенность уровней Ез и Е1, а разность засе.!1енностей уровней Е~ и Е1 увеличивается в несколько раз.
Таким образом, добавление гелия к ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА 722 неону (примерно в пропорции 5:1 — 10:1) весьма существенно для генерации в гелий-неоновом газовом лазере. Высокая степень оптической однородности активной среды гелий- неонового лазера позволяет сравнительно легко приблизиться к дифракционному пределу для коллимации излучения и его пространственной когерентности. 1?оследнее можно легко продемонстрироватть если раздвигать щели в схеме опыта Юнга до самых краев сечения лазерного светового пучка.
Видимость (контрастность) интерференционной картины при этом сохраняется. Точные количественные исследования показали, что степень пространственной когерентности "Й~ (см. ~ 22) излучения гелий-неонового лазера (Л = 632,8 нм) почти равна единице. Например, некогерентная часть потока 1 — 71~ оказалась порядка 10 з для тех точек поперечного сечения пучка, где интенсивность составляет всего 0,1 Я~ от максимальной интенсивности на оси, а для точек на оси — порядка 10 '". Согласно расчетам указанные значения некогерентной части излучения лазера можно объяснить спонтанным испусканием его активной среды. Благодаря высокой когерентности гелий-неоновьпл лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществление которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.
Многочисленные варианты гелий-неонового лазера нашли весьма разнообразные применения в биологических исследованиях, в системах лазерной связи, в голографии. машиностроении и многих других областях естествознания и техники. $ 228. Спектр излучения оптических квантовых генераторов В предыдущих параграфах, посвященных описанию принципа действия и конкретных схем лазеров, основное внимание концентрировалось на энергетической стороне дела, а именно, на методах образования достаточно большой инверсной заселенности и на усилении поля в активной среде. Существенную роль при этом играл резонатор, зеркала которого отражали падающий на них свет в активную среду и тем самым способствовали достижению порога генерации.
Однако, помимо указанной функции, резонатор выполняет и другую --- формирует пространственно когерентное и монохроматическое излучение. Для выяснения этой стороны вопроса вернемся к рис. 40.4. Фиксируем како~л-либо волновой фронт волны, распространяющейся в пространстве между зеркалами, и проследим его судьбу за время, необходимое для достижения им правого зеркала, отражения от него, распространения до левого зеркала и возвращения в исходную точку. На протяжении описанного цикла изменяются, вообще говоря, все параметры волны: так, к фазе добавляется величина 2ЙЕ, где й— волновое число; в результате усиления в активной среде и отражения от зеркал амплитуда изменяется в гехр (а(ы)Х] раз; дифракционные ГЛ.
Х1,. ОПТИЧИСКИИ КВА11ТОЕЗЫБ ГИЕЕИРАТОРЫ 723 явления и диафрагмирование зеркалами могут вызвать изменения в распределении амплихудье ПО ВолеЕОВОму фронту; если среда резона" тора или зеркала анизотропны, то может измениться и поляризация поля. Однако для формирования в лазере строго монохроматического излучения необходимо, чтобы к копну цикла любой параметр волны принимал то же самое значение. которое он имел в начале цикла. Действительно, предположим обратное и выберем в качестве исходного положение волнового фронта непосредственно перед его отражением от одного из зеркал, например, правого.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
