Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Возможность усиления и генерации электромагнитного излучения в оптическом диапазоне была обоснована в работах Н.Г. Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса, А. Шавлова. В 1960 г. был создан (Т. Мейман, США) оптический квантовый генератор, получивший название лазера (П8Ь| Атр1фсаг1ол Ьу Бити1шей Етииоп о1 Кайаг(оп — усиление света с помощью вынужденного излучения). Первый твердотельный лазер был рубиновым лазером.
Рабочим веществом такого лазера являлся монокристалл рубина (корунд А1зОз с примесями ионов хрома Сг + ) в виде цилиндра длиной около 5 см и диаметром приблизительно 1 см. 308 для создания инверсии за- нз 3 селен еленностей энеРгетических „ровней в лазерах наиболее 2 часто используется метод тРех 1=694,3 нм „ровней. РассмотРим суть это- 1 ! метода на примере рубинового лазера. Рнс.5.18.
Трехуровневая схема созЭнергетический спек †,„ дания инвеРсной заселенности атомов (ионов) хрома содер- уровней кнт три уровня (рис. 5.18) с энергиями Е1, Е2 и Ез. Верхний уровень 3 на самом деле представляет собой достаточно широкую полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней.
Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3, должен быть мета- стабильным уровнем. Это означает„что переход 2 — ь1 в такой системе запрещен законами квантовой механики. Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода. Правила отбора не являются правилами абсолютного запрета перехода 2 — ь1. Однако их нарушение для некоторого квантового перехода значительно уменьшает его вероятность. Попав в такое метастабильное состояние, атом задерживается в нем.
При этом время жизни атома в метастабильном состоянии (-10 с) в сотни тысяч раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии (-10 с). Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией Е2. Поэтому на достаточно большое с точки зрения атомных процессов время удается создать инверсную заселенность уровней 1 и 2. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называют накачкой.
Существуют различные физические механизмы накачки. В рубиновом лазере (Рис. 5.19) используется импульсная оптическая накачка. Для этого кристалл рубина освещается ксеноновой газоразрядной лампой, работающей в импульсном режиме. Длительность вс"ь!шки имеет порядок 10 3 с, а мощность накачки в одном нм"ульсе составляет десятки миллионов ватт. За счет прохождения 309 импульса тока через газовый промежуток ксенон нагревается до нескольких тысяч градусов и испускает мощный световой импульс, содержащий оптическое излучение различных длин волн.
Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина с лампой накачки помещают в фо. кусе эллиптической полости с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Лампа накачки Зе Рнс. 5.19. Основные элементы рубинового лазера Поглощая 10 ...
15 % лучистой энергии этого излучения, атомы хрома переходят в возбужденное состояние с энергией Ез (1 ->3 на рис. 5.18). Время жизни таких возбужденных атомов меньше 10 с. За это время атомы хрома переходят на более низкий мета- стабильный энергетический уровень с энергией Е2. Такой переход 3-~ 2 является безызлучательным, т.
е. происходит без испускания фотона, а избыток энергии при этом передается от атома хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает на некоторое время инверсию заселенностей уровней 1 и 2. На это время рубиновый стержень превращается в активную среду, которая может усиливать вынужденное излучение с длиной волны А = 694,3 нм, соответствующее переходу 2-+1. Если в результате спонтанного перехода вблизи левого торца стержня поясняется фотон с такой длиной волны, то, взаимодействуя с атомами хрома, он индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения вынужденных фотонов при распространении в рубине излучения носит лавинообразный характер. В результате вынужденное излучение с длиной волны 1=694,3 нм (красный свет), распространяясь вдоль оси рубинового стержня, усиливается.
310 д того чтобы такой оптический усилитель превратить в оп- ский генератор когерентного лазерного излучения, необходиобеспечвть положительную обратную связь, т. е. усиленный к излучения снова направить в активную среду. Такую обрат- я> связь обеспечивает оптический резонатор, состоящий нз двух трого параллельных плоских зеркал (см.
Рис. 5.19), расположенных вблизи торцов рубинового стержня. Отражающими зеркалами могут служить и хорошо отполированные и посеребренные торцы самого кристалла. Отражение излучения от двух параллельных зеркал оптического резонатора приводит к тому, что в нем могут существовать лишь такие электромагнитные волны, для которых выполняется условие образования стоячей волны: 21=тХ, т=1,2,... Здесь 1 — размер оптического резонатора, т. е. расстояние между зеркалами. Такие резонансные колебания в оптическом резонаторе лазера называются модами.
В наиболее 1 благоприятном режиме усиления оказываются моды, частоты которых находятся вблизи вершины спектральной линии излучения активной среды (рис. 5.20). Более О уд~лен~ые от вершины моды прн Р 529 Рис. 5.20. Спектральная линия генерации лазерного излучения активной среды (7) и моды опподавлаютса. В РезУльтате лазеР тического резонатора 12) испускает когерентное излучение, Распространяющееся вдоль оси оптического резонатора и содержащее несколько мод излучения, частоты которых располагаются на равных расстояниях друг от друга. Каждая из таких спектральных линий не является строго моно- хроматической. Ее ширина зависит от добротности оптического Резонатора, определяемой потерями энергии излучения.
Причинамн таких потерь, уменьшающими добротность резонатора и приводящими к уширению линий излучения лазера, являются непаРаллельность зеркал, спонтанное излучение, поглощение и рассея"ие света в активной среде, зеркалах и других элементах. При уменьшении таких потерь энергии излучения, а также при увеличении расстояния между зеркалами ширина спектральных линий 311 отдельных мод уменьшается, достигая значений, в несколько раз меньших естественной ширины спектральных линий, испускаемых обычными источниками. Таким образом, лазер испускает интенсивный световой пучок с чрезвычайно высокой монохроматичностью, которая не может быть достигнута другими методами.
Для улучшения когерентных свойств излучения лазера следует добиваться режима генерации только с одной модой. Такой одномодовый режим удается осуществить, вводя в резонатор дополнительные элементы (оптические призмы, дифракционные решетки и др.), выделяющие одну из мод резонатора и подавляющие все остальные. В обычном свободном режиме генерации одно из зеркал, например зеркало 2, делается полупрозрачным. Поэтому после многократного отражения от зеркал и усиления лазерный пучок становится достаточно интенсивным и получает возможность выхода через полупрозрачное зеркало.
Затем следует новая вспышка лампы накачки, и процесс повторяется. В режиме генерации гигантских импульсов одно из зеркал закрывается оптическим затвором. Задерживая генерацию, такой затвор позволяет увеличить инверсию заселенностей уровней и накопить энергию активной среды. Если затвор открыть, то создаются условия быстрого развития генерации, которая реализуется в виде короткого (20...50 нс) мощного (гигантского) импульса с энергией 1...100 Дж, что соответствует мощности более 10 Вт.
Рубиновый лазер работает в импульсном режиме с частотой порядка нескольких импульсов в минуту. Для отвода теплоты рубиновый лазер приходится охлаждать с помощью жидкого воздуха. К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве активных сред в твердотельных лазерах. Созданы лазеры на нттриево-апюминиевом гранате, александрнте, стекле с примесью неодима и на других материалах. В 1961 г. был создан первый газовый гелий-неоновый лазер (А.
Джаван, США). В таком лазере инверсия заселенностей уровней атомов неона создается за счет электрического разряда в смеси газов Не и Ие. Прн электрической накачке возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронамИ газоразрядной плазмй, Ьбразующейся в газоразрклной трубке, между электродами которой прикладывается постоянное напряжение 312 2 „В Применяются также безэлектродные трубки, в которых воз у зб-„-"ветел высокочастотный РазРЯд. Газовый гелий-неоновый лазер работает в непрерывном режиенерации, испуская когерентное излучение с длиной волны 1„- б38,2 нм.
Мощность такого лазера достигает нескольких десятых долей ватта при КПД 0,1%. Оптимальной генерируемой мощности соответствует диаметр газоразрядной трубки около 7 мм при давлении газовой смеси 1 мм рт. ст. и соотношении Хе и Не вней 1:10. Наиболее мощными газовыми лазерами являются молекулярные лазеры. Так, например, в газоразрядных СОз-лазерах электроны в тлеющем разряде возбуждают колебательные уровни молекул СОз и Хз.
В мощных СОз-лазерах используется непрерывная прокачка газа. Быстропроточные СО2-лазеры генерируют излучение с длинами волн 9,4 мкм и 10,6 мкм. Их мощность достигает десятков киловатт при КПД около 20% . В газовых молекулярных лазерах для создания инверсии заселенностей энергетических уровней кроме электрического разряда могут использоваться и другие способы. Так, например, в газодинамических лазерах активная среда создается при адиабатическом охлаждении газовых масс. При расширении нагретого газа (Т = 1000 ...
2000 К) в сверхзвуковом сопле газ быстро охлаждается. В таких условиях быстрее теряют энергию молекулы газа, находящиеся в состояниях с меньшей энергией. Это приводит к инверсии заселенностей энергетических уровней молекул СОз, ХОз и СЯз. Газодинамические лазеры в непрерывном режиме генерируют мощности до сотен киловатт. Возможно создание газовых лазеров, в которых инверсия заселенностей энергетических уровней образуется при протекании химических реакций в объеме активной среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
