Большая Советская Энциклопедия (ЛА)

Большая Советская Энциклопедия

Оптический резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с частотами

, где с — скорость света, n — целое число. В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен (рис. 5). При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент dn_л определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина dn_л может быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.

Существующие Л. различаются: 1) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят, способом накачки (оптическая

накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.п.; см. ниже); 2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости); 3) конструкцией резонатора; 4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования к характеристикам Л.

Методы создания инверсии населённости. Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия Al₂O₃ с примесью (~ 0,05%) ионов Cr³⁺, замещающих атомы Al (см. Рубин). Уровни энергии иона Cr³⁺ в рубине показаны на рис. 6. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Cr³⁺ с основного уровня E₁ на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~ 10^{– 8}сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E₂ и

. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Cr³⁺ на уровнях E ₂ и

составляет 10^{– 3}сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на основной уровень E₁. Переходам E₂ ® E₁ и

 ® E₁ соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Cr³⁺ на уровнях E₂ и

 и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E₁. Это позволило создать Л., работающий на переходах E₂ ® E₁ и

 ® E₁, генерирующий свет с длиной волны l » 0,7 мкм.

Для создания инверсии населённостей уровней E₂,

 относительно E₁ необходимо перевести больше половины ионов Cr³⁺ на уровни E₂,

 за время, не превышающее 10^{– 3}сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10^{– 3}сек. За это время в каждом см³ кристалла поглощается энергия в несколько дж.

Метод оптической накачки обладает несколькими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только та часть спектра излучения ламп накачки, которая ответственна за возбуждение ионов Cr³⁺. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощается относительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицу объёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверсной населённостей уровней, в основном определяется особенностями используемой системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубине теряется лишь та часть энергии, которая идёт на возбуждение собственных колебаний кристаллической решётки в результате безызлучательных переходов (рис. 6, волнистые стрелки). Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л. достигает нескольких дж от каждого см³ вещества. Примерно столько же энергии остаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атмосферном давлении энергия в 1 дж соответствует температуре 10000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см³даёт нагрев на десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд. Отношение энергии импульса Л. к электрической энергии питания лампы-накачки в лучшем случае не превышает нескольких % из-за неполного использования спектра ламп накачки (~ 15%) и вследствие потерь на преобразование электрической энергии в световую в самих лампах.

Большое распространение получил метод создания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрических разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбуждение в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрической энергии в энергию излучения Л. (см. Газовый лазер).

В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси молекулярных газов CO₂ и N₂ (с добавлением ряда др. компонентов) механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрическим полем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N₂. Затем в результате столкновений возбуждённых молекул N₂ с молекулами CO₂ происходит заселение одного из колебательных уровней CO₂, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпд достигает 20—30%.

В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси CO₂ и N₂, в котором газовая смесь нагревается до температуры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, который, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней CO₂ (см. Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучение газодинамического Л. невелик (~ 1%). Тем не менее газодинамические Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (например, керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрическая энергия, запасаемая в конденсаторах, питающих лампы вспышки, — порядка 0,1 дж на 1 см³ объёма конденсатора.

Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химических связей для возбуждения частиц, т. е. создание активной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H₂ и F₂ к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F₂, то возникает цепная реакция F + H₂ ® HF + H, H + F₂ ® HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO₂, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО₂ (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N₂ в газоразрядных лазерах на CO₂. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D₂, F₂ и CO₂. В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.

В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход; 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическим возбуждением (см. Полупроводниковый лазер).

Твердотельные лазеры. Существует большое количество твердотельных Л., как импульсных, так и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили Л. на рубине (см. выше) и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый Л. работает на длине волны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4—5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 дж за время ~ 10^{– 3}сек.

Л. на рубине, наряду с Л. на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными Л. Полная энергия импульса генерации достигает сотен дж при длительности импульса 10^{– 3}сек. Оказалось также возможным реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких кгц).

Примером твердотельных Л. непрерывного действия являются Л. на флюорите кальция CaF₂ с примесью диспрозия Dy и Л. на иттриево-алюминиевом гранате Y₃Al₅O₁₂ с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких Л. работает в области длин волн l от 1 до 3 мкм. Возможность реализации непрерывного режима в этих Л. обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего перехода является не основной уровень E₁, а возбуждённый уровень E₂ (рис. 7). Если уровень E₂ достаточно далеко отстоит по энергии от основного уровня E₁ (по сравнению с кТ, где к — Больцмана постоянная, Т — температура) и характеризуется достаточно малым временем жизни, то инверсия населённостей для уровней E₂, E₃ может быть создана с помощью сравнительно маломощных источников оптической накачки. У некоторых из таких Л. генерация осуществлена при накачке солнечным светом. Типичное значение мощности генерации твердотельных Л. в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для Л. на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт. Если не принимать специальных мер, то спектр генерации твердотельных Л. сравнительно широк, т.к. обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Как правило, это связано со значительным уменьшением генерируемой мощности.