Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 27
Текст из файла (страница 27)
П. Феофилов и др. !24). Дальнейшим развитием лазеров на основе конденсированных сред было создание в 1962 г. полупроводниковых инжекционных лазеров на Р— п переходах. Ва короткое время было предложено более ста твердых активных сред из неорганических материалов. Такое быстрое развитие твердотельных лазеров обусловлено принципиальными особенностями этих приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале намного превышает концентрацию частвц в газовых средах. Поэтому твердые активные среды характеризуются более высоким коэффициентом усиления, а это позволяет получать большие мощности генерации. В настоящее время созданы лазеры с выходной энергией до 5000 Дж в импульсе и мощностью до 20 ГВт, что не является пределом.
П следующее усиление излучения с помощью ОКУ позволило полуо 13 чить сверхкороткий импульс мощностью 10 Вт. Такие большие мощности, необходимые для различных практических и научных целей, могут быть достигнуты только при импульсной работе лазера, при определенных форме и длительности излучаемого импульса. Спонтанные (самопроизвольные, без какой-либо связи с внешним излучением) процессы излучения происходят повсюду и повсеместно. Это излучение от нагретых тел, светящихся газов, электрического разряда и т.
д. Чтобы практически получить индуцированное (вынужденное) излучение, следует выполнить три основные условия, которые фактически и описывают модель твердотельного лазера (рис. 7.1, и): !. Необходимо иметь вещество с инверсией населенностей А)Ч = = /)/„— )Ч, т. е. чтобы из двух выбранных уровней верхний уровень был заселен больше, чем нижний„где /)/„, А/„— населенности уровней энергии Е „ Е . Инверсия населенности достигается накачкой, оде т.
ним из универсальных методов которой является оптическое возбуждение частиц (метод оптической накачки) 16, 7, 13, 18, 23, 29). 2. Активное вещество необходимо поместить в оптический резонатор — систему двух параллельных зеркал, чтобы осуществить положительную обратную связь. В результате этого часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активной среды, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомамн, вовлекаемыми в процесс излучения. 113 еь уе быстрые беаьллучательна пгрекодьг дггожстадгтьн бродень ьр отп пь йу д,бг дРолны Рз, излучения ' д Уг,' бн„ з аз г и дочей пенькой (дьжулдсныж излачгнигу ззтпальс полнения а резонатор Ознобной урппень гуз !!4 Рис. 7.1. Схема твердотельного лазера импульсного действия (а) и пнчковый ре- жим вынужденного излучения (о): З вЂ” призма полпого впутрекпего отражеккя; 2 вктпвпая среда; 3 — импульсная лампа пакачкп; з — устроастао паквчкп; З вЂ” электрод поджига; 6 — ревопапспый отражатель!сто па пластпп): Ее Евх Зл, Ьл.
гь гь. Г-. ж л, Ь Ов, РХ, Ъ . Ее„х — паРаметРы п) хапактеппстмкп лааера 3. Усиление б (у), даваемое активной средой, должно быть больше некоторого суммарного порогового значения потерь в резонаторе определенного для каждого твердого активного вещества. Генерация будет возможна при выполнении условия самовозбуждепия: 6(у) ~1,. В соответствии с этими условиями лазер состоит из трех основных элементов: а к т и в н о й с р е д ы — источника вынужденного излучения; с и с т е м ы н а к а ч к и, которая возбуждает активную среду, и р е з о н а т о р а — системы, поддерживающей колебания и формирующей частотные, энергетические и пространственные характеристики выходного излучения.
Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме. Источником возбуждения ионов кристалла обычно служат импульсные газоразрядные лампы накачки. Энергия, необходимая для работы ламп, накапливается в конденсаторах общей емкостью 200...500 мкФ.
Зажигание газового разряда в лампе производится высоковольтным импульсом поджига. Ионизация ксенона в лампе сопровождается интенсивным свечением плазмы газового разряда. Излучаемая лампой в малом промежутке времени (т„1 мс) лучистая энергия фокусируется специальным осветителем на кристалле активной среды н частично им поглощается.
Активные ионы кристалла переходятв возбужденные состояния. Через малое время на метастабильном уровне создается инверсия населенностей частиц, Происходит вынужденное излучение фотонов. В резонаторе возникают колебания электромагнитной энергии, которые (лавинным процессом) возбуждают и другие активные центры кристалла. Этот лавинный процесс протекает в весьма короткое время — порядка 150 мкс. Поток фотонов, претерпевая многократные отражения от зеркал, выходит наружу через полупрозрачное зеркало резонансной системы. Фотоны, которые движутся не параллельно оси резонатора, покидают активную среду и резонатор.
Поэтому излучение имеет высокую пространственную направленность. Рис. 7.2. Схемы квантовых переходов в трех- и четырехуровневом лазерах Таким образом, на выходе лазера создается мощный монохроматический пучок вынужденноголазерногоизлучения малой расходимости, В твердотельных лазерах накачка осуществляется путем поглощения излучения в широкой полосе энергетического спектра. Затем следуют очень быстрые переходы на уровни с малой шириной, обычно называемые жетасаабилаными, где время жизни квантовых частиц велико по сравнению с обычными временами жизни частиц на других возбужденных уровнях. Время жизни частиц в возбужденном состоянии — величина, обратно пропорциональная вероятности квантовых переходов с этого уровня энергии на другие уровни: т = 1(Р, где Р = А + р В, — полная вероятность перехода частиц в единицу времени на более низкий уровень Е; А = 8п)зуеВ„!Ел, йк" = В р, — вероятности спонтанного и вынужденного переходов; р, — спектральная плотность энергии вынужденного излучения на частоте перехода у„; В„= йп В„„— коэффициент Эйнштейлт на; йг„, д — кратности вырождений уровней.
В твердотельных лазерах используются трех- и четырехуровневые системы энергетических уровней (рис. 7.2). В первой системе излучение оптической накачки переводит квантовые частицы в широкую полосу поглощения Е„затем атомы быстро переходят на метастабильный уровень Е,. Если мощность накачки достаточна, то между основным уровнем Е, и уровнем Е, возникает инверсия населенностей. Генерация вынужденного излучения происходит с метастабильного уровня Е, на основной (либо с Е, на вспомогательный уровень Е, в четырехуровневой системе). В общем случае изменение населенностей уровней обусловлено тремя квантовыми механизмами: спонтанными переходами на нижние уровни; вынужденным излучением и поглощением; безызлучательными переходами, возбуждаемыми тепловыми процессами и взаимодействиями с колебаниями кристаллической решетки.
По трехуровневой схеме работает лазер на рубине. Недостаток его состоит в том, что для создания инверсии населенностей должно быть переведено из основного на местастабильный уровень более 50 % квантовых частиц. Поэтому каждый из возбужденных атомов отдает ббльшую часть энер- гни накачки (80...85 %) на нагрев кристаллической решетки прн безызлучательных переходах Ез -э Е,. Четырехуровневая схема, по которой работают многие твердотельные лазеры (на стекле, активированном редкоземельными элементами, актинидами, 1(А0 и др.), более эффективна. Если уровень Е, расположен достаточно далеко от основного Е„ то его населенность будет меньше населенности основного уровня, и инверсия населенностей между уровнями Е, и Е, может быть''достигнута при относительно низких мощностях накачки. После создания рубинового лазера было предложено много лазеров на других материалах, однако рубиновый лазер широко используется в настоящее время и будет использоваться в будущем.
Это объясняется следующими обстоятельствами: излучение его происходит в видимой части спектра, кристаллу при генерации импульсов с частотой /, — 0,03 Гц не требуется охлаждение, обеспечивается высокая выходная мощность в режиме генерации импульсов с модулированием добротности (Р,„„= 7500 МВт при длительности импульса 2 нс (6, 7)). 7.2. Анализ импульсного режима генерирования лазерного излучения В рамках кинетического приближения процесса вынужденного излучения постараемся изучить изменение во времени инверсии населенностей ЛМ и спектральной плотности энергии излучения р,.
Такова цель нашего исследования. «Пнчковый» характер генерации трехуровневого лазера можно объяснить, решая совместно систему кинетических уравнений (см. Рис. 4.2, б н и. 2.4) г/Мз/г// = ̻л»з + М»В»з Мз (Аз» + л»з)! с(М»Я/ = М»А»з+ Мз(А»з + л»з) Мз(Р»Вгз+ л»з)! (7.1) Мз - — — Мз + М, + Мз н уравнение средней плотности излучения р, внутри резонатора с/Р«/ // Рз (Мз Мз) Взз»'зР« (7. 2) где Р,„— веРоЯтность вынУжденного излУчениЯ; Вць Взн Азо А„— коэффициенты Эйнштейна для вынужденных и спонтанных переходов; М, — общее число квантовых частиц в 1 см' активного вещества; М„М„М, — населенности уровней; Рх — суммарные потери в резонаторе; 3зз — вероятность безызлучательного перехода. При ограничении Аз, — О, А„- 0 проведем замену ЛМ = М,— — М,; В„= В„= В; Р = (М»Я»з + М»Р,В„») — скорость обогащения метастабильного уровня Е, квантовыми частицами, пропорциональная энергии накачки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
