Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 170
Текст из файла (страница 170)
Поэтому резона- 718 1гл. х1 ' лАзеРы н нелннейнАЯ оптнкл тор будет эффективнее усиливать обыкновенные лучи, чем необыкновенные. Из лазера будут преимущественно выходить обыкновенные лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен к оптической н геометрической осям кристалла. Если эти оси совпадают, то поляризация не возникает.
Если же, как показали наблюдения, угол между ними заключен в пределах от 60 до 90', то линейная поляризация полная. 5. Наиболее распространенным является импульсный режим работы рубинового лазера. Лампа-вспышка дает импульс света длительностью 1О ' с. Длительность когерентного импульса, излучаемого лазером, несколько короче.
Зто связано, во-первых, с тем, что требуется некоторое время, чтобы заселенность уровня 5, достигла порогового значения, после чего лазер начинает генерировать. Во-вторых, с тем, что генерация лазера прекращается, когда интенсивность вспышки лампы понижается настолько, что ее становится уже недостаточно для поддержания заселенности выше пороговой. Сам лазерный импульс имеет сложную структуру и состоит из множества отдельных импульсов длительностью до 1О ' с, следующих друг за другом с интервалом 3 10 ' — 10 ' с. Мощность рубинового лазера в импульсе может достигать десятков кВт при длине стержня в 20 — 30 см и диаметре 1,5 см.
Эта мощность может быть повышена до нескольких десятков мегаватт за счет уменьшения длительности генерируемого импульса. Для этого на уровень 5, надо перевести не половину, а большую часть атомов хрома, оставив уровень 5, практически незаполненным. Тогда при длине рубинового.стержня 1Π— 20 см импульс генерируемого света, как показывает расчет, может развиться за время 10 " с. Лампа-вспышка легко могла бы произвести такой переход, если бы в рубине не возникала генерация, возвращающая атомы хрома снова на исходный уровень К,.
А генерация начинается сразу же, как только заселенность уровня Ь', станет выше пороговой. Задачу можно решить, если на короткое время выключить обратную связь, осуществляемую зеркалами, За это время можно перевести все атомы хрома на возбужденный уровень 5,. При выключенных зеркалах среднее время жизни атома хрома на уровне 5, составляет около 0,002 с.
Если в течение этого времени на мгновение снова включить зеркала, то происходит почти мгновенный вынужденный переход атомов на невозбужденный уровень Ф, и связанная с ним мощная вспышка лазерного излучения. 6. Быстрое включение и выкл1очение обратной связи, а также вообще изменение добротности резонатора можно осуществить, заменив одно из зеркал призмой Р полного отражения (рис. 348), вращающейся с угловой скоростью -500 об~с, Лазер может генерировать только в положении призмы, изображенном на рис.
348, или очень близком к нему. Во всех остальных положениях обратной связи нет и лазер не генерирует. В это время происходит опти- 7!9 Ръ вин о вы и ллзс Р % !2!! т Ь ческая накачка рубинового стержня 7т. Когда призма займет положение, указанное на рис. 348, происходит излучение мощного лазерного импульса. Хотя при этом призма и продолжает быстро вращаться, но за короткое время 10 ' с, требующееся для развития лазерного им!Бльса, она не успевает сколько-нибудь заметно сместиться из указанного положения. После высвечивания запасенной энергии при дальнейшем вращении призмы снова начинается оптическая накачка, пока при повороте на 360' не произойдет излучение нового лазерного импульса.
Однако при прохождении че- Рис, 343. рез стержень мощного импульса выключение призмы не всегда достаточно для прекращения действия обратной связи, так как оиа может сохраняться из-за отражения света от концов рубинового стержня (в случае рубина коэффициент отражения (и — 1)и/(и+ 1)' =7,б%). Во избежание этого концы рубинового стержня делают скошенными под углом к его геометрической оси. Обычно угол падения берут равным углу Брюевера (иа границе рубин — воздух Ч!в = 30'). Тогда генерируется линейно поляризованный свет, электрический вектор которого а лежит в плоскости падения. 7.
Более быстрое вклю- чение и выключение об- ~г ратной связи производитРис, 349. ся с помощью оптическо- го затвора — ячейки 7( ерра с нитробензолом или ячейки Поккельеа с анизотропным кристаллом (рис. 349). Ячейка вместе со своим конденсатором повернута вокруг оси установки на угол 45' (это иа рис. 349 не показано). Поляризатор Р (поляроид илн поляризациоииая призма) ориентирован так, чтобы полностью пропускать линейно поляризованное излучение рубинового стержня, когда он генерирует.
Перед включением лампы-вспышки на ячейку К подается такое напряжение, чтобы она поворачивала плоскость поляризации излучения лазера на угол 90'. Тогда свет через поляризатор Р не пройдет, т. е. обратная связь будет выключена. В то время, когда лампа дает вспышку, происходит оптическая накачка рубинового стержня.
Если затем быстро снять напряжение с конденсатора ячейки, то линейно поляризованное излучение рубина начнет свободно распространяться между зеркалами Б и Б, и возникнет мощный им. 720 [гл, х! ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА пульс индуцированного излучения лазера длительностью порядка 10-' с.
8. Большое распространение в качестве оптических затворов получили также просветляюи1иеся фильтры, помещаемые вместо ячейки Керра нли Поккельса. (Поляризатор У в этом случае не нужен.) Их действие основано на увеличении прозрачности вещества, когда интенсивность света становится достаточно большой, как это имеет место в случае излучения лазеров (см. 9 89, пункт 6). При малой интенсивности света фильтр поглощает свет, почти полностью устраняя ооратную связь.
С увеличением заселенности верхнего уровня возникает слабая генерация рубинового стержня, несколько уменьшающая поглощение фильтра. Это приводит к усилению обратной связи и вызывает лавину лазерного излучения. Последняя по мере нарастания все более и более просветляет фильтр. Когда интенсивность излучения начнет уменьшаться, поглощение фильтра будет быстро возрастать, а обратная связь ослабляться. Поскольку вся система работает автоматически, лазер с просветляющимися фильтрами во время вспышки лампы накачки может генерировать серию импульсов, следующих друг за другом. 9. Быстрое включение обратной связи позволяет сократить длительность импульса лазерного излучения до 10 ' — 1О ' с. Так как энергия импульса, снимаемая с рубинового стержня длиной 20 см и диаметром 1,5 см„составляет 1 — 2 Дж, то при этом развивается мощность 1Π— 200 МВт, Дальнейшее повышение мощности лазерного импульса может быть достигнуто путем усиления света в каскаде из нескольких последовательно расположенных лазеров.
Первый лазер в таком каскаде должен служить генератором, остальные — усилипгглями света. Если мощность генерируемого импульса достаточно велика, то уже небольшой его части вблизи передового фронта достаточно, чтобы вызвать вынужденные переходы в не- возбужденное состояние всех возбужденных атомов хрома в рубине усилителей. Это сокращает длительность импульса и повышает его мощность. Таким путем удалось получить гигантские импульсы света длительностью в 2 10 ' с при полной энергии импульса 20 Дж.
Это соответствует мощности 10' МВт. Но и такая мощность еще не предел. Лазер с просветляющимся фильтром дает импульс длительностью 10 " с, состоящий из последовательности импульсов, длительность которых может составлять 1О "— 10 " с. Выделение одного такого импульса с последующим усилением его позволяет достигнуть мощности 1О' МВт. 10. Из других твердых материалов, употребляемых в лазерах, надо упомянуть прежде всего нгодимавог ств«ло и флюорит «альция (СаР,) с небольшой примесью атомов редкоземельных элементов: диспрввия (Эу), самария (Бш) н пр, Активность среды создается ионами неодима 1чй'", диспрозия 1лу++, самария Бш и т.
д. Неодимовое стекло генерирует инфракрасное излучение с длиной волны 74! РЗБИНОВЫИ ЛАЗЕР $!зц )ь = 1,06 мкм, а флюорит кальция с диспрозием — еще более длинноволновое излучение с Х = 2,36 мкм. Стержни из неодимового стекла изготовить легче, чем из рубина, Стеклянные стержни могут достигать длины 0,5 — 1 м при диаметре до 5 см. Ширина полос у неодимового стекла больше, чем у рубина, что позволяет получить боль]ний кпд. Зато у рубина более высокая прочность. При длительности импульса 10 ' — 1О-' с рубин выдерживает мощности (3 — 4) 10' МВт на каждый см' поперечного сечении стержня, а неоднмовое стекло — только (1 — 1,5) ° 10' МВт.
В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, лазер на флюорите кальция с примесью диспрозия работает по четырехуровневой схеме. Это позволяет ля создавать достаточно мощные лазеры, работающие не импульсами, а непрерывно, что для некоторых применений очень существенно. Ез Между основным уровнем 84 днспрозия в кристалле и энергетической полосой Ж, расположены два промежуточных уровня е~з и вз (рис, 350). Между ними и создается инверс- Рнс. 350 ная заселенность атомов диспрозия.
Лампа- вспышка переводит атомы диспрозия через широкую энергетическую полосу бз, на уровень бз. Уровень 84 по энергии приподнят над уровнем оз настолько высоко, что при температуре жидкого азота его заселенность А]4 практически равна нулю. Поэтому нет необходимости переводить на уровень бз больше половины атомов диспрозия. Достаточно лишь, чтобы разность заселенностей А]з — А]4 уровней сз и оз превысила пороговое значение. Оно составляет лишь небольшую долю атомов диспрозия. Достаточна сравнительно небольшая мощность лампы-накачки (=15 — 20 Вт), чтобы осуществить непрерывную работу лазера. Кроме того, непрерывная накачка позволяет генерировать гигантские импульсы с большой частотой повторения (до нескольких к( ц). Мощности света, получаемые при этом в каждом импульсе, =1 — 2 МВт, ЗАДАЧ И' 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
