невозможно получить в фокусе концентрацию энергии, превышающую концентрацию энергии на источнике.

Лазеры на твердом теле

В лазерах иа твердом теле применяется метод оптической накачки. Рабочее вещество обычно представляет кристалл - основание с примесью люминесцирующих атомов, имеющих по крайней мере три или четыре уровня (трех- н четырехуровневые системы)

Рабочий переход

Рис. 29-22. Энергетическая схема трех- и четырехуровневых оптических квантовых генераторов.

(рис. 29-22). С помощью накачивающего света атомы из основного состояния возбуждаются сначала на более высокие уровни 3 (или 4 - в четырехуровневой системе), а затем быстро переходят на рабочий уровень 2 (или соответственно 3). Вероятность спонтанного перехода 2-* 1 (3->2) должна быть гораздо меньше вероятности перехода 3-> 2 (as случае четырехуровневой системы меньше вероятностей переходов 4 3 и ?->-/): уровень 2 (в четырехуровневой системе - 4) должен быть метастабиль-и ы м, т. е. с большим временем жнзии.

Поскольку в четырехуровневой системе уровень 2 является незаселенным, то для создания инверсной заселенности такой системы требуется меньшая мощность, чем в случае трехуровневой системы. Другими словами, пороговая мощность накачки, соответствующая началу генерации в четырехуровневой системе, значительно меньше, чем в трехуровневой.

Мощность накачки, необходимая для создания инверсной заселенности, легче всего достигается в- виде света импульсных ламп-вспышек, поэтому большая часть ОКГ на твердых телах работает в импульсном режиме.

В качестве активных атомов применяются хром, лантаноиды, уран, в качестве оснований - корунд А120з, флуорит CaF2, стекло и др.

Рубиновые лазеры. Наиболее распространенным в настоящее время является ОКГ на рубине. Рубин - кристалл корунда А1203 с примесью трехвалентного хрома (0,03-0,85%). Рубиновый ОКГ работает по трехуровневой схеме. Полосы поглощения

4 800 и 5 600 А употребляются для иакачки, генерация происходит на длине волны л.=

=6 943 А (при комнатной температуре) (рис. 29-23, а). На рис. 29-23,6 указаны времена жизни частиц на энергетических

уровнях. Образец рубина вырезается в виде цилиндра диаметром 4-10 мм, длиной 30-100 мм со строго параллельными и тщательно отполированными торцами.

Применяются специальные меры для лучшего использования энергии импульсьой

Высший уровень

Штастабильнто. уровень

Основное состояние

3 Еезыщчатшныи переход

Рис 29-23 Схема энергетических уровней ионов хрома в рубине.

лампы для возбуждения рабочего тела. Так, при использовании спиральных ламп кристалл и лампа помещаются внутри цилиндрического осветителя, отражающего свет лампы на -стержень кристалла. Если же применяется линейная лампа, то осветитель выполняется в виде эллиптического цилиндра, а кристалл и лампа располагаются вдоль его фокальных осей (рис. 29-24).

Когерентная генерация начинается при электрических энергиях в импульсе лампы в 0,5-2 кдж; в более эффективных установках эту пороговую мощность удается снизить до 50-70 дж. Генерация начинается через 100-300 мксек после начала возбуждения и длится в течение 200-500 мксек в зависимости от длительности вспышки. Энергия когерентного излучения за время одного импульса в зависимости от размеров кристалла составляет от 0,01 дж до 30-50 дж. В сложных устройствах с несколькими кристаллами и мощными лампами иакачки получена энергия в несколько тысяч джоулей.

Коэффициент полезного действия генератора невелик, ~1%, что в значительной

степени обусловлено тем, что спектр поглощения активного вещества значительно уже .спектра излучения лампы-вспышки, а также безызлучательными потерями в кристалле и др.

Генерируемый импульс состоит из множества пучков длительностью ~0,5 мксек, нерегулярно следующих во времени. Генерация происходит во многих типах колеба-

Рис. 29-24. Излучающая головка ОКГ с эллиптическим отражателем.

а - поперечное сечение; 6 - продольный разрез.

ний, в связи с чем ширина спектра излучае-

мых колебаний довольно широка,-0,1 А (~ 50 ООО Мгц).

Расходимость пучка излучения определяется неоднородностями и рассеиванием света н кристалле и составляет -30, что в несколько десятков раз больше дифракционного предела.

Другие материалы для рабочего вещества. Кроме рубина в оптических квантовых генераторах применяются и другие твердые активные вещества. В частности, генерация была получена на ионах урана, неодима, самария, тулия и гольмия в различных кристаллах. Общим для этих материалов является то, что в отличие от рубина они работают по четырехуровневой схеме. Чтобы не было перезаполнения нижнего рабочего уровня ионами, забрасываемыми с основного уровня тепловыми колебаниями, разность энергий этих уровней должна быть больше величины среднего значения тепловой энергии kT. При температуре. 300° К значение kT соответствует приблизительно 200 см-1. Поэтому если нижний энергетический уровень расположен иа таком же или меньшем энергетическом интервале от основного, то для получения устойчивой генерации кристалл необходимо охлаждать.

Наряду с кристаллами в оптических квантовых генераторах широко используются стеклянные среды с примесью различных редкоземельных элементов. Преимущество стекол заключается в простоте изготовления образцов больших размеров и любой формы, что позволяет получить очень большие энергии выходного импульса. Кроме того, стекла обладают очень высокой оптической однородностью, в результате чего к. п. д. стеклянных генераторов оказывается выше, чем у генераторов на кристалтах. В то же время сравнительно низкая теплопроводность стекол позволяет применять их только в генераторах с небольшой средней мощностью излучения (т. е. с малой частотой следования импульсов).

В настоящее время индуцированное излучение получено в стеклянных средах с примесью различных трехвалентных редкоземельных ионов, однако практическое значение пока имеют лишь стекла с примесью неодима, которые работают при комнатной температуре. Наиболее интенсивное излучение наблюдается на волне 1,06 мкм.

Вынужденное излучение получено также в пластмассах, в частности на основе так называемых хелатов (люосит и плексиглас, актинированные европием, тербием и самарием). При этом активному веществу может быть придана любая форма, даже в виде тонких волокон.

Источники накачки в ОКГ с твердым активным веществом

Для иакачки оптических генераторов на твердом теле применяются различные источники света. Наиболее интенсивные полосы поглощения активных сред находятся в видимой н прилегающих к ней участках инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Поэтому общее требование, предъявляемое к источникам накачки, заключается в том, чтобы именно на эти области приходилась основная часть излучаемой ими энергии и чтобы эта энергия была достаточно велика. Поскольку частота излучения источника накачки всегда превышает частоту генерации, то с увеличением последней спектр возбуждающего излучения также смещается в более коротковолновую область. В связи с этим электрические лампы накаливания малоэффективны для накачки генераторов видимого диапазона воли. Это связано с тем, что при температуре нити накала порядка 3 000° К излучение тепловых источников сосредоточено в основном в инфракрасном диапазоне.

Наиболее широкое распространение среди источников накачки получили газоразрядные лампы, эффективные температуры излучения которых составляют 5 000- 10 000е К. Наиболее важными для использования в ОКГ параметрами газоразрядных ламп являются: эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение (наибольший к. п. д. - примерно 40%)., спектральный состав излучения, пре-

дельная энергия вспышки и предельная потребляемая МОЩНОСТЬ.

В связи со сравнительно низким к. п. д. газоразрядных ламп большой интерес проявляется к исследованиям новых более эффективных методов накачки. К их числу следует отнести использование для накачки излучения полупроводниковых ОКГ. Спектр излучения этих приборов достаточно узок, что в принципе позволяет добиться согласования спектра поглощения ОКГ со спектром излучения генератора накачки - полупроводникового ОКГ, а к. п. д. может быть очень высоким. Разработанные-к настоящему времени лазерные диоды излучают главным образом в ближней инфракрасной области спектра. Мощность их, однако, еще сравнительно невелика. Поэтому первые эксперименты проводились с четырехуровневыми активными средами, обладающими небольшим порогом возбуждения. В настоящее время работы по исследованию полупроводниковой накачки находятся в начальной стадии, и она еще не имеет практического применения в твердотельных ОКГ. Этот метод накачки представляется наиболее перспективным для возбуждения активных сред, имеющих полосы поглощения в длинноволновых участках спектра, в которых другие нсточиики излучения малоэффективны.

Другой возможный метод накачки ОКГ основан иа использовании света, выделяемого при взрыве тонких (порядка 0,1 мм) проволок при пропускании по ним электрического тока большой силы. Благодаря тому что большая часть излучения взрывающихся проволок сосредоточена в ультрафиолетовом участке спектра, они могут оказаться весьма перспективным источником иакачки ОКГ видимого диапазона.

Для оптической накачки ОКГ можно также использовать лучистую энергию, выделяющуюся при горении и взрыве специальных составов и вещестн (химическая накачка).

Наконец, следует упомянуть о возможности использования для накачки п и н ч-эффекта - сжатия разрядного столба в плазме в тонкий плазменный шнур под влиянием магнитного поля, в результате чего образуются высокие температуры, сопровождающиеся интенсивным излучением.

Газовые лазеры

Для возбуждения газовых активных веществ оптический метод накачки оказывается малоэффективным. Это объясняется тем, что в газах отсутствуют полосы поглощения, характерные для твердых тел; газы обычно поглощают на отдельных линиях. Метод оптического возбуждения в газах может быть применен лишь при использовании вы-сокоиитенсивных монохроматических источников света, имеющих линии излучения, которые совпадают с линиями поглощения газа.

Поэтому в газах (в отличие от твердых тел, внутри которых только облучение может сообщить атому необходимую энергию возбуждения) чаще применяются другие методы накачки, а именно:

возбуждение атомов электронными ударами в газовом разряде; таким способом создается избыточная населенность в генераторах на чистых благородных газах (Ne, Не, Аг, Кг, Хе);

возбуждение при столкновении атомов; в этом случае газоразрядная трубка содер-

<5

Рнс. 29-25. Схема энергетических уровней гелня и неона.

жнт смесь двух газов, имеющих близко расположенные уровни, н при столкновениях происходит передача энергии от атомов одного газа атомам другого газа;

диссоциация молекул газа, происходящая под воздействием высокочастотного разряда или ультрафиолетового излучения. Обычно используется смесь благородного газа с двухатомным (или многоатомным) газом. Возбужденный атом благородного газа при столкновении с молекулой двухатомного газа разбивает ее на два атома. Один нз атомов возбуждается до более высокого уровня (что приводит к инверсной населенности), а другой - поглощает оставшуюся энергию. На основе этого метода разработаны генераторы на смесях Аг-О2, Ne-02, Не-СО и др.

Наиболее распространены ОКГ, в которых используется метод возбуждения при столкновении атомов. Такой метод, в частности, используется в смеси гелия и неона, которая была рабочим веществом первого лазера непрерывного действия.

Гелий-неоновый газовый ОКГ. Действие гелий-неонового ОКГ основано на использовании энергетических уровней гелия и неона (рис. 29-25). Посредством электронных ударов атомы гелия переводятся иа мета-