Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Оптические квантовые генераторы

Идея принципа усиления и генерации монохроматических электромагнитных волн принадлежит, физикам из СССР Н..Г. Басову, A.M. Прохорову и США — Ч. Таунсу, удостоен­ными за нее в 1964 г. Нобелевской премией. Основным условием работы любого оптического квантового генератора, как отмечалось, являет­ся наличие инверсии населенности в лазерной среде. Постара­емся разобраться в том, как она создается. В первом твердо­тельном лазере на рубине, созданном в США в 1960 г., инвер­сная населенность энергетических уровней достигалась по тре­хуровневой схеме.

Рубиновый лазер (рис. а) состоит из кристалла рубина 1 — активной среды, представляющей собой оксид алюминия А1₂О₃ с примесью трехвалентных ионов хрома в количестве 0,03—0,05%, импульсной ксеноновой лампы 2 — источника накачки, опти­ческого резонатора, образованного двумя параллельными зер­калами 3 и 4, одно из которых, в данном случае зеркало 3, является полупрозрачным.

Импульсная лампа и кристалл ру­бина расположены в фокусах эллиптического отражателя 5, концентрирующего излучение лампы на рубин, как это показано на рисунке б.

Рубиновый лазер работает следующим образом. От источ­ника питания заряжается конденсатор 6 до напряжения U, величина которого в несколько меньше напряжения зажига­ния лампы. При подаче на лампу через электрод 7 поджигаю­щего напряжения U_n происходит разряд конденсатора 6 через лампу 2. Световой импульс лампы фокусируется отражателем 5 на кристалл рубина 1 и возбуждает (накачивает) ионы хро­ма, в результате чего электроны из основного состояния 1 пе­реходят на более высокий уровень энергии 3 (см.рис.).

Воз­бужденные ионы хрома через характерное время, равное 10^-8с, спонтанно возвращаются либо на уровень с энергией Е₁ либо, что происходит чаще, на метастабильный энергетический уро­вень 2 с передачей избытка энергии кристаллической решетке рубина. Последний переход не сопровождается излучением фотонов, и его называют безизлучательным. Избыточная же энергия Е₃ — Е₂, переходит в энергию тепловых колебаний ато­мов решетки, а это приводит к некоторому нагреву рубина, что нежелательно. Средняя длительность жизни возбужден­ных электронов в атомах хрома на уровне 2 на пять порядков больше, чем на уровне 3, и достигает 10^-3 с. Таким образом, во время работы импульсной лампы концентрация возбужденных электронов на уровне 2 будет большей, чем на уровне 1,т.е. создано состояние с инверсной населенностью уровня 2,

Излучаемые при спонтанных переходах иона хрома с уров­ня Е₂ на уровень E₁ фотоны сталкиваются с другими возбужденными ионами и вызывают вынужденные переходы элект­ронов с уровня 2 на уровень I. В процессе вынужденного перехо­да 2 → 1 ионы хрома также испускают фотоны. При этом ин­дуцированное излучение преобладает над спонтанным. Так как все переходы происходят в одном и том же интервале изменения энергии Е = Е₂ — Е₁ то все первичные и вторичные фотоны имеют одинаковую энергию, а следовательно, одну и ту же дли­ну волны λ = 0,6943 мкм. Вышедший из торца кристалла по­ток фотонов будет отражен зеркалом 4 резонатора и снова пой­дет через кристалл с инверсной населенностью уровней. В лазере подобный процесс повторяется за счет отражений от параллель­ных зеркал, разделенных активной средой. При этом, отражаясь от торцевого зеркала, фотоны каждый раз вызывают вынужден­ное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, повторяют этот процесс, и т.д. В результате поток фотонов лавино­образно нарастает и, достигнув определенной мощности, час­тично выходит через полупрозрачное зеркало 3 в виде строго направленного светового потока огромной яркости. Плоскость зеркала 3, как правило, ориентируют не перпендикулярно к оптической оси (например, за счет его вогнутости), а под углом Брюстера. Это обеспечивает поляризацию излучения лазера.

Нарастание числа вынужденных излучательных переходов приводит к тому, что населенность уровня Е, снижается и ге­нерация фотонов прекращается. Длительность такого импуль­са когерентного излучения составляет ~10^-6с. Поскольку вре­мя свечения импульсной лампы равно ~10^-3с, то за время све­чения газоразрядной лампы возникает ряд. импульсов генера­ции. Однако с помощью быстродействующих, оптических затворов добиваются возможности использования всей энер­гии, запасенной в кристалле, в одном коротком, но мощном импульсе излучения длительностью 10^-8÷10^-9 с. Энергия, по­лучаемая в импульсе излучения твердотельных лазеров, дос­тигает 10²÷10³Дж при КПД, равном- 1÷5%. Коэффициент по­лезного действия лазера равен отношению энергии излучения к энергии, потребляемой от источника питания. Его значение колеблется б пределах от 0,01 до 75%. Некоторые типы твер­дотельных лазеров работают в непрерывном режиме.

Кроме рубина, в твердотельных лазерах используются кри­сталлы, активированные неодимом Nd³⁺, например иттрий, алюминиевый гранат. Кроме указанных кристаллов, в каче­стве активной среды применяются также стекла с примесью неодима.

Лазеры классифицируют по типу активной среды на твер­дотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые; по методам накачки на оптические, тепловые, химические, элек­троионизационные и др.; по режиму генерации на импульс­ные и непрерывные.

Лазерному излучению свойственны:

1.Строгая монохроматичность — < 10^{-11 м;}

2.Высокая когерентность;

3.Пространственная направленность.

Для твердотельных лазеров угол расходимости луча равен 0,06-0,85°, для газовых лазеров 0,03-0,3°;

4.Высокая плотность излучения - I ~ 10¹⁶ Вт/см².

Плотность потока излучения на поверхности Солнца состав­ляет ~10⁴ Вт/см², а импульсная мощность излучения твердо­тельного лазера достигает ~ 5۰10¹³Вт при длительности импуль­са = 5 · 10^-12 с.

В 1996 г. достигнута рекордная мощность лазера — 1,3 пентаватт (1,3·10¹⁵Вт), что в 1300 раз больше мощности всех электростанций США. Такой лазер может быть использован для изучения ядерного синтеза, физики плазмы.