goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Эти импульсы могут заметно отличаться з 49. УстРОЙстВО О!пап!вских кьАнтОВых гвпьРАтОРОЬ 253 друг от друга не только по фазе, но и по амплитуде (из-за случайного характера начала импульса). На рис. 96 изображена осциллограмма части импульса рубинового лазера. Рис. 96. Осциллограл!ма части импульса рубинового лазера. В небольших рубиновых лазерах, имеющих объем несколько смз, за одно срабатывание лампы-вспышки в лазерное излучение преобразуется несколько джоулей.
При полном времени импульса порядка 1 мс средняя световая мошиость составляет поэтому несколько киловатт. В лазерах с более короткими импульсами она может быть существенно выше. Рассмотрим теперь работу лазеров на неодимовом стекле (стекло, активированное ионами Хс(з~). Эти лазеры — из твердотельных — являются самыми популярными. Они, в частности, применяются для создания мощных оптических систем, способных накапливать, а затем освобождать энергию в десятки и даже сотни килоджоулей. Схема уровней иона Хс( " приведена на рис.
97. Основным уровнем является уровень 41э1,. При оптической накачке ионы неодима переводятся в одно из состояний Е4. Из этих состояний они без излучения переходят на метастабильный уровень Ез(АЕзуа) и накапливаются на пем. Переходы с уровня Ез, в нижние состояния очень мало вероятны из-за большого различия квантовь!х чисел 1, и 1. Уровень Е (41„1 ) близок к основному, но почти не населен, так как он отстоит от основного на ТОЙТ и связан с ним быстрым безызлучательным переходом, обеспечивающим установление больцмановского равновесия.
Инверсия населенности между уровнями Ез и Ез достигается поэтому сушественно раныпе, чем между уровнями Ез и Е1, и рабочим переходом является переход Ез — ~ Ез с Л вЂ”... 1,06 мкм. Таким образом, неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. Конструкция источника света, изображенного на рис. 95, очень проста, но не является наилучшей.
Коэффициент полезного действия лазера 1ЛАВА 10 Рис. 97. Схема уровней 1хЫ~' в нео- димовом стекле. Рис. 98. Устройство лазера с несколькими источниками световой накачки 1 — рубиновый или неодимовый стержень, 2 — лампы-вспышки, о — отражатель. можно увеличить, помещая рубиновый стержень (или стержень из неодимового стекла) в один из фокусов эллиптического отражателя, а источник света — в другой фокус. Если источников света несколько, то применяют и более сложные конструкции (рис. 98). Из-за быстро наступающего перегрева лазеры на неодимовом стекле, как и рубиновые лазеры, работают преимущественно в импульсном режиме, Однако неодимовый лазер на иттрий-алюминиевом гранате' (кристалл т'зА!бОш, в котором часть ионов т'з+ замещена ионами 1)г(з+) на небольшой мощности может работать и непрерывно, так как его теплопроводность достаточно высока (на порядок выше, чем у стекла). Рассмотрим один из газовых лазеров — лазер на смеси атомов гелия и неона.
Такие лазеры хорошо освоены и выпускаются промышленностью. Рабочими переходами в гелий-неоновых лазерах являются переходы в 1)е. Для накачки используется газовый разряд (возбуждение электронным ударом). При разряде в основном возбуждаются атомы гелия (их число на порядок превосходит число атомов неона). Один из двух его 1а-электронов переходит в 2а-состояние (рис. 99). В зависимо- 'Лазеры на кристаллах УаА1аОтз, актиаироааиные ионами 1аб~е, а литературе по квантовой электронике сокращенно обозначаются Мс1: УАСА 949. УстРОЙство О!пических кВАнтОВых ганвРАтОРОВ 255 д„вэ ~4; 4Р 43 9 3Р ~я сти от направления спина возбужденного электрона атом оказывается в 213- или 2ВЯ-состоянии. Оба эти состояния метастабильны. В атоме неона имеются шесть 2р-электронов, которые вместе с дау- не мя 2з-электронами образуют замкнутый Т,-слой.
При соударении атомов '- 2 Я неона с возбужденными атомами гелия И один из 2р-электронов неона переходит г. в возбужденное состояние (с наибольшей вероятностью — в состояние 4з или 5з, так как энергия этих состояний близка к энергиям 2гЯ и 2зВ в возбужденных атомах гелия); возбужденные состояния атомов неона изображены прямоугольниками, чтобы отметить их сложную структуру: они содержат большое число подуровней.
На рис. 99 сплошными линиями обозначены переходы, использующие- )2Я ся в Не — Хе-лазерах. Эти переходы приводят к испусканию инфракрасно- Рис. 99. Схема уровней гелия го излучения с длинами волн 1,15 мкм и неона (4Π— 3Р) и 3,39 мкм (5Я вЂ” 4Р) и красного излучения с Л = О, 63 мкм (5Я вЂ” ЗР). В зависимости от длины оптического резонатора и устройства его зеркал удается выделить тот или другой переход. В трубке длиной около ! м с диаметром 0,5 см можно получить красное излучение мощностью 0,1 Вт.
Пучки света, испускаемые оптическими квантовыми генераторами, нередко сами собой оказываются поляризованными. Поляризацией пучка можно управлять, меняя условия прохождения света для волн с разной поляризацией. Торцы газоразрядных трубок, содержащих гелий-неоновую смесь, обычно изготовляют из плоскопараллельных пластинок, расположенных под углом Брюстера к оси труоки. Зеркала располагают вне трубки (рис.
100). При этом условия генерации оказываются выполненными только для плоскополяризованного света с направлением электрического вектора, которое соответствует минимальным потерям на отражение от пластинок. В последние годы все более широкое распространение получают импульсные лазеры на углекислом газе (СОа), С их помощью удается получать световые пучки, обладающие не только большой мощностью в импульсе, но и значительной средней мощностью.
Такие пучки представляют большую ценность для промышленных и научных применений. 256 ГЛАВА 10 Рис. 100. Схема гелий-неонового лазера: 1 — стеклянная трубка, наполненная смесью Не и Ие, 2 — электроды, служащие для поддержания разряда, 3— плоскопараллельные пластинки, 4 — зеркала (одно из зеркал — полупрозрачное). Твердотельные лазеры (рубин, пеодимовое стекло) не позволяют получать большие средние мощности из-за перегрева, приводящего к разьюстировке установки и к порче рабочего кристалла. Газовые лазеры перегреть труднее. При необходимости газовая смесь прокачивается через лазер, охлаждается или заменяется.
Для генерации лазерного излучения в СОВ-лазерах используются переходы между колебательными уровнями молекул углекислого газа с Л вЂ -- 10,6 мкм и с Л = 9,6 мкм (далекая инфракрасная область). Для возбуждения молекул используется газовый разряд, происходящий в смеси, содержащей СОгн Ма и Не. На рис. 101 приведена схема расположения нижних колебательных уровней молекул СОа и (чз. Колебательные уровни изображены не линиями, а прямоугольниками, напоминающими, что каждый из них на самом деле представляет собой полосу, состоящую из большого количества близких вращательных уровней. 0,3 сз ".
0,2 '~ 0,1 Х, СО, Рис. !01. Схема расположения нижних уровней в молекулах СОэ и Хм 449. Устгойство оптичвских квхнтовых гвньтхтогов 257 У двухатомной молекулы азота имеется всего одна колебательная степень свободы и соответственно одна система эквидистантных колебательных уровней. На рисунке изображены два уровня этой системы— основной и первый возбужденный. Молекула СОа состоит из трех атомов. Она имеет четыре колебательные степени свободы, две из которых совпадают по энергии. Колебательный спектр этой молекулы очень богат линиями. На рисунке изображен основной уровень молекулы СОз и четыре возбужденных колебательных уровня.
При электрическом разряде на уровень 4 переводится часть молекул СОя, но с еще болыпей вероятностью па нижний колебательный уровень возбуждаются молекулы азота. Их энергия в результате безызлучательных столкновений передается затем невозбужденным молекулам СОа, в результате чего и эти молекулы также переходят на уровень 4. Уровни 2 и 3 быстро опустошаются благодаря переходам на уровень ! (безызлучательные переходы). Опустошению этих уровней способствуют столкновения с атомами гелия, специально вводимыми в состав газовой смеси. Рабочие переходы происходят с четвертого на второй или на третий уровни.
Переход с Л =- 10,0 мкм происходит быстрее и используется чаще. Мощные газовые лазеры должны накапливать значительную энергию, а значит, содержать большое количество газа. Большие лазерные установки наполняются углекислым газом при атмосферном или при повышенном давлении. Чтобы возбудить разряд в таком газе, необходимо приложить к нему достаточно высокое напряжение (сотни киловольт) и создать начальную ионизацию, без которой разряд в плотном газе не возникает. Такая ионизация производится с помощью ультрафиолетового света, испускаемого искровым или дуговым источником, или с помощью быстрых электронов, инжектируемых в газ (злектроразрядные СОз-лазеры). Отметим, что газодинамический СОз-лазер (9 48) является одним из наиболее мощных ОКГ (достигнута мощность около !00 кВт в непрерывном режиме в течение нескольких секунд); в лазерах итого типа достигнут КПД 20",4.
Упомянем, наконец, оо устройствах, позволяющих получать лазерные импульсы большой мощности в строго заданные моменты времени. В таких устройствах коэффициент усиления лазера уменьшается на время подготовки к импульсу и восстанавливается в нужный момент. Управлять прозрачностью оптического резонатора можно с помощью ряда физических эффектов, из которых чаще всего используются эффекты Поккельса (линейный электрический эффект) и Керра (квадратичный электрический эффект). Оба эти эффекта заключаются в том, что в электрическом поле у некоторых веществ появляется двойное лучепре- 258 1ЛАЬА 1О ф 50, Структура лазерного излучения Выпустим из лазера световой луч и поставим экран на его пути. На небольших расстояниях от лазера на экране видно одно световое пятно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
