Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 95
Текст из файла (страница 95)
11.3. Основные разновидности лазеров Существует множество лазеров разного типа, различающихся активной средой и способом накачки. В качестве активной среды применяют твердые, жидкие и газообразные вещества, а из многих способов накачки чаще всего используется оптическая накачка, а также накачка электрическим разрядом в самой активной среде. Накачка может быть непрерывной и импульсной. Рассмотрим основные типы лазеров. Твердотельные лазеры Твердотельными называют лазеры, в которых активной средой являются кристаллические или аморфные диэлектрики (стекла), легированные ионами хрома или редкоземельных элементов.
В первом твердотельном лазере (1960 г.) использовался кристалл рубина Рубин — это твердое кристаллическое вещество Основой его является корунд— диэлектрический кристалл оксида алюминия (А1,Оз). Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов алюминия в этом кристалле заменяют ионы хрома. С введением ионов хрома кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. Энергетическая диаграмма, характеризующая структуру разрешенных уровней хрома, показана на рис. 11,4. Она содержит основной энергетический уровень Еь два узких уровня Еь и Ен и две сравнительно широких полосы энергий Е, и Е,, которые представляют собой совокупность большого числа близко расположенных разрешенных уровней.
Если атом хрома возбудить, то он сначала перейдет из основного состояния в полосу Е, или Е„а спустя очень короткое время (10 ' с) — на уровень Е„или Ен. При переходе на уровни Е, атом хрома не излучает. Его энергия тратится на возбуждение колебаний кристаллической решетки рубина. Возможность возвращения атома с полос Е, и Е, снова на уровень Е, хотя и существует, но скорость этого 502 Глава 11.
Введение а квантовую эле нику процесса пренебрежимо мала по сравнению со скоростью перехода на уровни Е,. На уровнях Е, атом находится около 10 з с. Такое длительное время (по сравнению с 10 ' с) позволяет накапливать атомы хрома на уровнях Е,. Если достаточно быстро переводить атомы хрома с уровня Е, в полосы Е, и Е„то на уровнях Е, можно накопить более половины атомов хрома. В этом случае уровни Е, окажутся более заселенными, чем уровень Ен то есть возникнет инверсия населенностей. Е4 Ез Еке Ем Нека Генерация О,зв мкм Рис. 11.4 Для перевода атомов хрома с уровня Е, на уровни Е, и Е, (накачка) используют мощные лампы-вспышки.
Перевести атомы хрома непосредственно с уровня Е, на уровни Е, нельзя. Объясняется это тем, что свет вызывает в кристалле два процесса: поглощение света невозбужденными атомами и вынужденное непускание его возбужденными атомами. Если оба процесса происходят между двумя уровнями, то они протекают с одинаковой скоростью.
Поэтому максимум того, что можно получить при накачке, — уровнять населенности. Для получения инверсии населенностей необходим третий уровень как своеобразный кперевалочный пункты Лампа-вспышка испускает импульс света длительностью около 10 ' с, близкий к белому, то есть с широким спектром частот. Для переброса ионов хрома на уровни Е, и Е, затрачивается только часть спектрального состава и, соответственно, энергии светового потока (около 15 %). Для перевода иона хрома с уровня Е, в полосу Ек используется излучение с длиной волны 0,56 мкм, а переброс в полосу Е, происходит при излучении с длиной волны около 0,41 мкм. Наличие широких энергетических полос в спектре ионов хрома является благоприятным обстоятельством для создания лазера.
Чем шире эти полосы, тем больше ионов может в них разместиться. Переход ионов хрома из широких полос на уровни Е, позволяет концентрировать атомы хрома в небольшом энергетическом интервале, что позволяет получить высокую моиохроматичность излучения при переходе атомов хрома с уровней Е, на основной уровень Ен При переходе с уровня Е„на уровень Е, излучение происходит с длиной волны 0,6943 мкм, при пере- ВОЗ 11.3. Основные азновидности лазе ов ходе с уровня ń— с длиной волны 0,6929 мкм. Наиболее благоприятны условия для.геиерации света с длиной волны 0,6943 мкм. Устройство рубинового лазера и)глюстрирует рис. 11.5. В стеклянной трубке расположен рубиновый стержень, на торцах которого имеются отражающие зеркала. Стержень возбуждается импульсной лампой и охлаждается проточной водой или жидким азотом.
щий Источник Окладитель питания Рис. 11Ш Кроме рубина в твердотельных лазерах применяют стекла, актированные неодимом. Благодаря хорошей технологичности и низкой стоимости стеклянных лазерных стержней, а также воэможности изготовления длинных стержней лазеры на стекле обладают преимуществом по сравнению с рубиновыми лазерами. Однако стекло имеет значительно меньшую, чем рубин, теплопроводность, что вызывает необходимость применения более эффективных систем охлаждения.
Длина волны излучения стеклянного лазера составляет 1,06 мкм. В оптических системах связи находит применение лазер на иттрий-алюминиевом гранате (сокращенно т'АС), легированный активными ионами неодима. Иттрийалюминиевый гранат с примесью неодима (сокращенно г'АС-Нд) является.уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твердостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Такой лазер излучает колебания с длиной волны 1,064 мкм. Конструкция г'АС-Хб-лазера очень компактна.
Лазер содержит стержень длиной 5 мм и толщиной 0,5 мм, который накачивается с торца СаА!Аз-светодиодом, Более компактную конструкцию имеет г'АС-лазер, легированный неодим-пентафосфатом НЙР,Оы. Накачка такого лазера осуществляется светодиодом с длиной волны 0,5 мкм. Этот лазер имеет очень низкий порог накачки (примерно 1 мВт), что позволяет назвать его микролазером. Газовые лазеры Газовыми лазерами называют оптические квантовые генераторы; в которых активной средой является газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла.
В зависимости от того, состояние каких частиц используется для получения инверсии населенностей, различают атомные, ионные и молекулярные лазеры. 504 Глава 11. Введение в квантов злект онику Газовые лазеры являются наиболее распространенным типом лазеров. Они излучают на волнах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (0,15— 699,5 мкм) и обладают самой высокой степенью когерентности по сравнению со всеми остальными источниками света.
Газовая среда имеет хорошую оптическую однородность, поэтому позволяет получить наименьший угол расхождения пучка (около 1'). Гелий-неоновый атомный лазер Активной средой гелий-неонового атомного лазера является смесь двух газов— гелия (Не) и неона (Ые), а лазерными уровнями — энергетические уровни возбужденных атомов неона. Для создания инверсии населенностей используют электрическую накачку путем создания тлеющего разряда в газоразрядной трубке. Схема лазера с возбуждением постоянным током показана на рис.
11.6. Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 11.7. Основные состояния атомов обозначены римской цифрой 1. Попупроэрачнов Нвпроэрвчнов эврквпо вниз Катод р ю. 11.Е Н 1П Зэ зр 2р Рио. 11.7 В соответствии с распределением Больцмана при ЬЕ» яТ(оптический диапазон) уровни возбуждения атомов гелия и неона свободны.
При разряде вследствие не- упругих соударений со свободными электронами происходит возбуждение атомов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни П и П1. Энергия 11.3. Основные разновидности лазе ов 50В возбужденных атомов гелия передается далее атомам неона. Энергетические уровни гелия П и П1 очень близки к уровням 2з и Зз неона. Поэтому при неупругих соударениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит эффективная передача избыточной энергии атомов гелия атомам неона.
Атомы неона переходят в возбужденное состояние 2з или Зз, а атомы гелия— в основное состояние 1. Кроме того, атомы неона переходят на уровни 2з или Зз вследствие соударений с быстрыми электронами. Так образуются два «канала», по которым заселяются верхние уровни атомов неона, в то время как нижние уровни атомов неона заселяются только при соударении невозбужденных атомов с электронами. Подбирая соотношение концентраций атомов гелия и неона и значение тока разряда, можно добиться преобладания скорости заселения верхних уровней неона над скоростью заселения нижних уровней, то есть добиться инверсии населенностей уровней. Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электронов к атомам неона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
