Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 169
Текст из файла (страница 169)
Поэтому для генерации недостаточно выполнения простого неравенства (!20.3). Оно должно быть выполнено с некоторым запасом, т. е. число атомов !У, на верхнем уровне в единице объема активной среды должно превышать некоторое минимальное — пороговое— значение. Конечно, нарастание интенсивности волны в активной среде не может продолжаться беспредельно, так как заселенность верхнего энергетического уровня ограничена.
По мере обеднения атомами верхнего уровня 8, скорость нарастания интенсивности волны будет уменьшаться и волна начнет затухать еще до того, как перестанет выполняться условие (!20.3). й 121. Рубиновый лазер 1. Существует много материалов, применяемых в качестве активных сред в лазерах. Сюда относятся различные диэлектрические кристаллы, стекла, газы, полупроводники и даже плазма.
Эта сторона дела подробно изучается в квантовой электронике. 715 4 120 РУБИНОВЫЙ ЛЛЗЕР Мы ограничимся описанием устройства н принципа действия только двух лазеров: рубинового н гелий-неонового. Первый квантовый генератор света был создан в 1961 г. Мейманом (р. 1927) на рубине. Рубин — это твердый кристалл, основой которого является корунд, т. е. кристалл окиси алюминия (А1,0,), в котором небольшая часть атомов алюминия (около 0,06%) замещена ионами хрома Сг" ь' '). Ионы хрома играют основную роль в работе квантового генератора.
Корунд — это диэлектрик с широкой запрещенной энергетической зоной между валентной зоной н зоной про- з водямостн (см. т. П1, Э !00). Энергетнческне уровни хрома в корунде лежат в этой запрещенной зоне. Онн 52, были изучены задолго до создания лазероп. Основным (невозбужденным) лу уровнем является уровень Фт (рнс. Д = 9963 нн 346). Он имеет сложную структуру, лу которая, однако, не играет роли в работе квантового генератора. Выше ле- 51 жат близкие возбужденные уровни Рис. 346.
Кзз н Жза, Это — узкие уровни. Прн переходе с них на основной уровень ет излучается красный свет с длинами волн Х = 694,3 н 692,9 нм, Он-то н придает рубину характерную розовую нлн красную окраску (в зависимости от концентрации ионов хрома). Более интенсивна линия Х = 694,3 нм. По этой причине только она н усиливается прн работе лазера.
Вторая линия не играет роли. Выше уровней 8„Н Жаз расположены две сравнительно широкие полосы энергий 8в н Жы Переходы между уровнями этих полос н основным уровнем о, сопровождаются излучением зеленого н голубого света соответственно. 2. Инверсная заселенность создается между уровнями 8, н й,'2. Для этого используется так называемая оптическая накачка, т. е. освещение кристалла рубина мощной вспышкой света. Рубину придают форму цилиндрического стержня с диаметром 0,1 — 2 см н длиной от 2 до 20 см н больше, Концы стержня тщательно отполированы.
Онн могут служить зеркалами. Тогда нх серебрят, как показано на рис. 346, а, Зеркала могут быть н внешними (рнс. 346, б), тогда серебренне не нужно. Для освещения рубинового стержня ') Для лазеров монокристаллы рубина выращивают искусственно. Смесь А! Оа н СтзОа в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл рубина, верхйяя кромка которого находится в кислородно-водородном пламени горелки с температурой 2050 'С, достаточной для плавления рубина.
При медленном опускании иристалла расплавленный слой смеси выходит из пламени и кристалкизуется. Таким путем удается получать монокристаллы рубина в виде стержней алиной до 0,5 м и диаметром до 5 см. 716 лАзеРы и нелинейнАя оптикА 1гл. К4 применяют импульсные ксеионовые газоразрядиые лалты-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов (напряжение 2 — 3 кВ). Длительность вспышки порядка одной миллисекунды. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня (рнс. 34?).
Она может быть и прямолинейной. Тогда применяют зеркальные осветители, имеющие форму эллиптических цилиндров с внутренними отражающими поверхностями. Лампа-вспышка располагается вдоль одной нз фокальных линий цилиндра; отраженный свет концентрируется на рубиновом стержне, помещаемом вдоль дру\ гой фокальной линии.
Если бы энергетический спектр со- стоял только из двух уровней Ж, и е„ ААслюаУ4 4 то с помощью оптической накачки соЛип~аИР4 здать инверсную заселенность их было бы невозможно. Действительно, как Рис. 347. видно из (119.2), индуцированные пере- ходы атомов с нижнего уровня на верхний н обратно идут с одинаковыми скоростями. Поэтому лампа- вспышка самое большее могла бы лишь уравнять населенности обоих уровней. Наличие же спонтанного излучения приводило бы к обеднению (атомами) верхнего уровня по сравнению с нижним.
Положение меняется благодаря наличию третьего, широкого энергетического уровня, состоящего из полос еа и е4. Лампа- вспышка переводит атомы хрома из невозбужденного состояния в возбужденное, т. е. в энергетические полосы е'4 и 64. Значительная ширина этих полос имеет большое практическое значение. Лампа-вспышка излучает свет, близкий к белому.
Если бы уровни е4 и е4 были очень узкими, то лишь ничтожная часть энергии лампывспь1шки могла бы быть использована иа их возбуждение. Благодаря н4е значительной ширине полос 64 и е4 на их возбуждение уходит 10 †15 лучистой энергии лампы-вспышки. На уровнях Ж и е4 возбужденные атомы хрома живут очень короткое время ( — 10 ' с). За это время они переходят на один из уровней 84. При таком переходе атомы хрома не излучают, а расходуют свою энергию на возбуждение колебаний кристаллической решетки, Возможность обратного возвращения атома из полос 444 и Ж4 на уровень Ж„ хотя и существует, но вероятность такого процесса пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью перехода на уровни 84.
Уровни'е,*, метастабильны. Время жизни атома на них 10 ' с, что по атомным масштабам очень велико. Это позволяет накапливать атомы на уровнях ЖА. Если переводить атомы с уровня 8 иа уровни Жа и 84 достаточно быстро, то иа уровни вз можно перевести больше половины атомов хрома. Тогда на уровнях ЖА з ми Рузииовыя ллзеР окажется больше атомов, чем на уровне й„т. е. возникнет инверсная заселенность этих уровней. 3. Подсчитаем мощность лампы-вспышки, необходимую для создания инверсной заселенности уровней 3, и 3,.
Средняя длина волны, излучаемая при переходе из полос бз и 8, на уровень ~„ порядка 450 нм. Поэтому для перевода одного атома хрома с уровня 3, на уровни Ж, и 3, требуется в среднем энергия йт = лс~Х = = 4,4 10" эрг. В рубине, обычно употребляемом для лазеров, на каждый см' приходится около 10ы атомов хрома. Не менее половины из них надо перевести в полосы 8, и 3,. На это требуется ° энергия =2,2 10' эрг = 2,2 Дж, Атомы должны быть переведены на возбужденные уровни Ж, и Ж„за время, не превышающее времени жизни атома хрома на уровне б, ( 2 10 ' с). В противном случае инверсная заселенность получиться не может.
Таким образом, минимальная мощность, идущая на возбуждение атомов, должна быть порядка 2,2)10' = 2200 Вт,'см' = 2,2 кВт'см'. Если коэффициент использования лучистой энергии лампы принять равным !Π— 15%, то потребляемая мощность лампы должна быть 20 кВт!см'. Для рубинового стержня с объемом 10 см' получится -200 кВт. Это достигается сравнительно легко. Нетрудно подсчитать, что при напряжении 2000 В емкость батареи конденсаторов должна быть не меньше 100 мкФ. Обычно употребляются батареи с емкостью 1000 мкФ. Значительная доля лучистой энергии (более 50%), поглощенной рубиновым стержнем, тратится на его нагревание.
Но при температурах, превышающих примерно 1000 К, рубиновый лазер перестает генерировать. Поэтому в некоторых конструкциях лазеров предусмотрено охлаждение рубина проточной водой и даже жидким азотом. 4, Рубин — одноосный кристалл. Обыкновенный и необыкновенный показатели преломления светло-красного рубина, употребляемого в лазерах, равны соответственно а„= 1,7653 н и, = 1,7573 (для Х = 656 нм). Рубиновый лазер может давать поляризованный свет без каких-либо специальных поляризационных приспособлений.
Для этого оптическая ось рубинового стержня не должна совпадать с его геометрической осью. Возникновение линейной поляризации нельзя объяснить различием коэффициентов отражения обыкновенного и необыкновенного лучей, так как разность и, — п, слишком мала. Поляризация возникает потому, что в обыкновенной волне направления волновой нормали и луча совпадают между собой, а в необыкновенной не совпадают. Чтобы зеркала лазера действовали эффективно, как резонатор, необходимо, чтобы волновые нормали были к ним перпендикулярны. Но тогда в рубине только обыкновенный луч будет распространяться параллельно геометрической оси стержня, а необыкновенный пойдет под углом к ней, попадая на боковую поверхность стержня'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
