Николай Глухов - Беседы о физике и технике

При инверсии населенности рубин приобретает способность усиливать красный свет. В качестве ламп накачки используют мощные газоразрядные лампы спиральной или трубчатой конструкции. Длительность вспышки порядка 1∙10 -3с, а сама лампа питается от батарей конденсаторов емкостью до 10 000 мкФ, заряженных до нескольких тысяч вольт. Обычно большие лазеры дают в импульсе энергию до 1000 Дж, что соответствует импульсной мощности до 1 МВт.

В качестве другого примера твердотельного ОКГ может служить неодимовый лазер, активная среда которого представляет собой стекло с примесью атомов неодима. Лазер функционирует по четырехуровневой схеме и дает излучение в инфракрасной области с λ = с / v 32= 1060 нм (здесь с — скорость света, т. е. скорость распространения электромагнитных волн).

В КАКОМ РЕЖИМЕ РАБОТАЮТ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОКГ?

Твердотельные ОКГ (как, впрочем, и любой лазер) могут работать как в стационарном или непрерывном, так и в импульсном режимах. Для осуществления стационарного режима работы лазера плоские торцы рубинового или неодимового стержня покрывают слоями серебра так, чтобы один торец имел высокий (~ 1) коэффициент отражения, а другой был бы полупрозрачным. В этом режиме создание инверсии и генерация происходят одновременно, т. е. накачка образует инверсную заселенность энергетических уровней, а генерация непрерывно ее «уничтожает».

Однако существуют способы «накопления» инверсии, а затем «выстреливания» излучения за очень короткое время порядка 1∙10 -8с (10 нc). Такой импульсный режим предусматривает применение одного непрозрачного, а другого полностью прозрачного зеркал резонатора. В то время как действует лампа накачки, при полностью прозрачном торце лазера на выходе излучения (правый торец стержня на рис. 47) многократный переход индуцированного излучения и его усиление невозможны, т. е. инверсия не «перерабатывается» в излучение и происходит рост заселенности инверсных уровней.

Если теперь, когда инверсия уже велика, правый торец станет частично отражающим («заменится» полупрозрачным зеркалом), возникнет усиление и будет генерирован импульс излучения. Заметим, что в этом режиме мощность излучения не превышает мощности, выделяемой при стационарном (непрерывном) режиме.

НО СУЩЕСТВУЕТ ЕЩЕ И РЕЖИМ ГИГАНТСКИХ ИМПУЛЬСОВ?

В режиме гигантских импульсов излучение реализуется в виде мощных одиночных или повторяющихся импульсов, пиковая мощность которых достигает 10 6—10 10МВт при длительности порядка 10 -12с.

В этом случае при накачке и «накоплении» инверсии оба торца лазера непрозрачны — генерация нарастает до значительных размеров. Затем одно из препятствий излучению (с правого конца стержня) «убирается» и мощный импульс беспрепятственно устремляется наружу. Для обеспечения условий импульсного режима генерации применяют дополнительные элементы ( 4 на рис. 46) различной конструкции — оптические затворы . В простейшем случае это может быть синхронизированный с импульсами накачки вращающийся прерыватель светового пучка или вращающееся зеркало резонатора. Для создания режима гигантских импульсов более совершенными оказываются пассивные и электрооптические затворы.

Рассмотрим вкратце для примера работу пассивного затвора, представляющего собой жидкость, просветляющуюся под действием генерируемого излучения. После включения импульса накачки начинает создаваться инверсия населенностей энергетических уровней, однако затвор непрозрачен и генерация отсутствует. Появляющиеся фотоны за счет спонтанных переходов частотой hv 21= ( E 2— E 1)/ h поглощаются активными центрами жидкости, и начинается просветление затвора. При частичном просветлении затвора начинается генерация излучения, число фотонов с частотой hv 21 резко возрастает, затвор быстро и окончательно просветляется. В результате возникает гигантский импульс лазерного излучения. По окончании действия импульса накачки затвор снова становится непрозрачным — до следующего импульса накачки, т. е. действие пассивного затвора полностью регулируется импульсами накачки. В качестве просветляющихся жидкостей применяют фталоцианин в нитробензоле, криптоцианин в нитробензоле и др.

РАССКАЖИТЕ О ГАЗОВЫХ ОКГ.

Активные центры в газовых ОКГ могут иметь разную физическую природу: либо это нейтральные атомы ( атомные газовые ОКГ), либо ионы ( ионные газовые ОКГ), либо молекулы ( молекулярные газовые ОКГ).

В атомных газовых ОКГ энергетические уровни атомов находятся на расстоянии от 0,1 до 2 эВ, чему соответствует оптическое излучение в инфракрасной и видимой областях спектра (λ = 500÷10 000 нм).

В ионных газовых ОКГ переходы происходят между уровнями ионов. Расстояние между рабочими уровнями составляет от 2 до 10 эВ, чему соответствует излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (λ = 100÷500 нм).

В молекулярных газовых ОКГ переходы осуществляются между колебательными и вращательными уровнями молекул; расстояние между рабочими уровнями от 0,01 до 0,1 эВ, чему соответствует излучение в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и инфракрасной области спектра (λ= 10 6÷10 4нм).

Активная среда газовых ОКГ расположена внутри газоразрядной трубки, а для накачки используют импульсные или стационарные виды разрядов.

Газы обладают высокой оптической однородностью и прозрачностью, это позволяет изготовлять длинные газоразрядные трубки (от нескольких десятков сантиметров до нескольких и даже десятков метров).

На рис. 48 приведена принципиальная схема газоразрядной трубки ОКГ на гелий-неоне (активная среда — гелий-неон, активные центры — атомы неона).

Рис. 48. Газовый ОКГ на гелий-неоне

Используется тлеющий разряд постоянного тока. Зеркала резонатора расположены вне газоразрядной трубки.

Для ОКГ на гелий-неоне характерны следующие параметры: выходная мощность 0,01 Вт, коэффициент полезного действия 0,01 %.

Одним из самых мощных современных: лазеров является молекулярный газовый ОКГ на углекислом газе. Активная среда в нем — смесь углекислого газа (около 1 мм рт. ст.), молекулярного азота (1 мм рт. ст.) и гелия (около 5 мм рт. ст.); активные центры — молекулы СО 2. Используется тлеющий разряд, в верхний рабочий уровень молекулы СО 2заселяется за счет электронного возбуждения и неупругих столкновений с молекулами азота (время жизни этого уровня 10 -1с).

Для ОКГ этого типа характерны мощность порядка 10 кВт и КПД 10–20 %, генерируется инфракрасное излучение с λ = 1060 нм.