стабильный уровень 23s (время жизни атомов на этом уровне приблизительно 10~3 сек). При столкновении атомов гелия, находящихся в состоянии 23s, с атомами неона, находящихся в основном состоянии, происходит передача энергии возбуждения атому неона, который переходит на один из уровней группы 2s. С четырех уровней 2s могут происходить излучательные переходы на десять уровней 2р. Уровни 2р менее заселены, чем 2s, поскольку прямой переход энергии возбуждения атома гелия на эти уровни атома неона отсутствует. Время жизни на уровнях 2s примерно иа порядок превышает время жизни на уровнях 2р. В общей сложности правилами отбора разрешены 30 различных переходов с уровней 2s на уровни 2р. Наиболее интенсивная генерация соответствует длине волны 1,153 мкм.. Мощность излучения на этой длине волиы составляет I-20 мет при длине трубки около 1 м. При этом для возбуждения газового разряда от источника высокочастотного питания (частота примерно 30 Мгц) потреблялось около 50 вт.

В генераторе смесь Не н Ne (давление Не 1 мм рт. ст., Ne -0,1 мм рт. ст.) находится в кварцевой трубке диаметром 1 см. В качестве резонатора чаще всего используются внешние плоскопараллельные или конфокальные зеркала. Для уменьшения отражения от окон, расположенных на торцах трубки, концы трубок закрыты плоскопараллельными пластинками, расположенными под углом Брюстера по отношению к оси трубки (рис. 29-26). Такие пластины - окна, через которые излучение проходит к зеркалам резонатора, они не вносят потерь на отражение для излучения, поляризованного в плоскости падения, и делают невозможной генерацию в перпендикулярной плоскости. Таким образом, световой луч, проходя через окно, испытывает потери лишь на рассеивание и поглощение в стекле, которые не превышают 0,5%.

В последнее время большое внимание уделяется так называемым ионным газовым ОКГ. В таких генераторах в качестве рабочих используются не атомные переходы, как в гелий-неоновом ОКГ, а переходы между возбужденными состояниями ионов благородных газов. Оказалось, что ионные ОКГ способны генерировать гораздо большую непрерывную мощность, чем ОКГ, работающие на атомных переходах. Расстояния между ионными уровнями на энергетической диаграмме сравнительно большие, поэтому излучения ионных ОКГ соответствуют более коротковолновой области.

Наибольшее распространение получили аргоновые ионные ОКГ. В настоящее время на аргоновом ноином ОКГнолучена генерация на девяти линиях в диапазоне длин

волн от 4 545 до 5 145 А. Мощность генерации, получаемая на трубках длиной 30-50 ем, составляет несколько ватт. Коэффициент полезного действия ионных ОКГ 0,01-0,1%.

Основным недостатком газовых ОКГ, использующих атомные и ионные переходы, является низкий к. п. д., что связано с малой эффективностью электронного механизма накачки. Верхний рабочий уровень в таких ОКГ располагается довольно высоко над исходным состоянием, поэтому в процессе возбуждения принимает участие лишь небольшая часть общего числа электронов,

Рис. 29-26. Схема оптического квантового генератора на смеси гелия и неона с внешними конфокальными зеркалами.

1 - сферическое зеркало; 2 - электрод; 3-высокочастотный генератор накачки.

а именно наиболее быстрые электроны плазмы. В связи с этим с точки зрения повышения к. п. д. целесообразно использовать низко расположенные электрические уровни частиц. Такими уровнями, в частности, являются колебательные возбужденные состояния молекул. Колебательные уровни молекул располагаются ближе друг к другу, чем электронные. При этом генерация возможна на более длинных волнах, чем при использовании электронных переходов.

Примером молекулярного газового лазера является ОКГ, работающий на смеси углекислого газа и азота. Рабочему переходу в этом ОКГ соответствует длина волиы 10,6 мкм. Своеобразный механизм создания инверсии в этом типе ОКГ позволяет применять разрядные трубки большого диаметра (до 100 мм) для получения большей мощности генерации. Известны сообщения о получении мощности 500-1 000 ет в непрерывном режиме [Л. 29]. При этом к. п. д. ОКГ также очень высок, 6-10%. К достоинствам этого прибора относится также то, что его диапазон излучения совпадает с одним из окон .прозрачности атмосферы (см. § 29-8). Однако эксплуатация ОКГ на смеси С02 и N2 связана с определенными трудностями. Конструкция прибора должна предусматривать систему непрерывного протока рабочей смеси, так как она разлагается в условиях разряда. Имеются определенные трудности в использовании оптики, модуляторов и приемников на длине волиы в 10 мкм.

Жидкостные лазеры. Большой интерес с точки зрения практических применений представляют жидкостные лазеры.

Применение жидкости н газа освобождает от сложных технических трудностей, связанных с выращиванием монокристаллов и их обработкой. С жидкостями можно получать значительные концентрации активных ионов в рабочем объеме и большие образцы требуемых размеров. Охлаждение может быть достигнуто циркуляцией рабочей жидкости через теплообменник. Состав жидкостей можно легко и быстро изменять. В настоящее .время жидкостные лазеры находятся еще в стадии ранних экспериментальных исследований.

Полупроводниковые онтические квантовые генераторы

Среди оптических квантовых генераторов на твердом теле оеобую группу составляют полупроводниковые ОКГ.

Энергетический спектр полупроводника имеет широкие полосы разрешенных состояний электронов: свободную и валентную зоны, разделенные запрещенной зоной (рис. 29-27). В идеальном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью занята электронами, а свободная - полностью свободна, и полупроводник в этом случае янляется изолятором. При температурах выше 0° К часть валентных электронов переходит в свободную зону и в нолупроводнике появляется электропроводность как за счет электронов в свободной зоне, так и за счет дырок в валентной зоне. Примеси в полупроводнике вызывают появление в запрещенной зоне локальных уровней (донорных вблизи зоны проводимости и акцепторных вблизи валентной зоны), сужающих эту зону,

Свободная зона, (зола проШимвска)

-,- - - Акцепторное ровна

Запрещенная зона

. Донорные уровни

Заполненная зона I (валентная зона)

Рнс. 29-27. Энергетические зоны полупроводника.

Для получения состояний с инверсной населенностью в полупроводнике могут быть использованы различные переходы электронов: зона - зона, зона - примесь и переходы между уровнями примеси.

Инверсную населенность в полупроводниках можно получать с помощью различных методов возбуждения. Одним из первых был предложен метод возбуждения однородного и чистого полупроводника и м -

пульсами электр-нческого поля [Л. 8]. Прн приложении к полупроводнику сильного электрического поля в нем за счет ударной ионизации образуются неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что может привести к возникновению инверсной населенности по отношению к уровням у диа зоны проводимости и потолка валентной зоны. Величина электрического поля, необходимого для образования достаточной концентрации неравновесных носителей, быстро растет с увеличением ширины запрещенной зоны.

Другим методом возбуждения полупроводников является метод оптического возбуждения, аналогичный используемому в лазерах на люминесцентных кристаллах (рубин и др.). Недостатком оптического метода возбуждения с помощью обычных световых источников является то, что они имеют широкий энергетический спектр, наиболее коротковолновые фотоны сильно поглощаются, а длинноволновые имеют энергию, недостаточную для возбуждения. Наилучшие результаты получаются при использовании для возбуждения излучения лазеров (например, рубинового). Недостатком оптического метода возбуждения полупроводников является то, что из-за большого поглощения падающего света возбуждается лишь тонкий слой полупроводника.

В связи с этим большой интерес представляет применение для возбуждения полупроводников электронного пучка. Этот метод позволяет получить инверсную населенность в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны, т. е. получить когерентную генерацию в широком диапазоне волн. Электронные пучки могут иметь энергию, достаточную для возбуждения значительной толщины образца. Однако к. п. д. при возбуждении электронным пучком не может превышать 40% вследствие образования электронно-дырочной лавины, не находящейся в тепловом равновесии с решеткой.

В 1961 г. Н. Г. Басов, О. Н. Крохин и Ю. М. Попов предложили для получения инверсной населенности использовать ин-жекцию неравновесных носителей тока через р-п переход полупроводникового диода путем приложения к диоду напряжения, создающего ток в прямом направлении (рис. 29-28). Важным преимуществом таких приборов, получивших название и н ж е к -циоиных лазеров, является возможность прямого преобразования электрической энергии в энергию светового излучения. При этом может быть достигнут высокий к. п. д., близкий к 100%.

При инжекции в р-слой электроны начинают распространяться в междуузлиях решетки. Оказываясь вблизи положительных ионов, электроны захватываются и занимают место недостающего валентного электрона. Этот процесс является упрощенным описанием рекомбинации электронов и дырок. При рекомбинации электрона из валентной зоны с дыркой выделяется эиер-

гия в виде кваита света - фотона. Поскольку рекомбинация электронов и дырок происходит в основном в плоскости р-п перехода, то свет интенсивно излучается в местах пересечения р-п перехода с боковыми гранями кристалла. Активная область, в которой создается излучение, имеет толшииу порядка 0,15 мкм. При малых токах через диод рекомбинирует только небольшая часть носителей н излучение является некогерентным, спонтанным, широкополосным, ненаправленным.

Рис. 29-28. Полупроводниковый ОКГ ннжекционно-го типа.

а - схематическое изображение кристалла; б-схематическое изображение полупроводникового ОКГ, включенного в цепь источника тока.

При увеличении плотности тока выше некоторого порогового значения, когда число фотонов, возникающих при рекомбинации, превышает число фотонов, которые поглощаются в веществе диода, излучение становится когерентным, ширина спектра резко уменьшается (излучение становится более монохром этичным), а луч - узким. Для полупроводникового диода из арсенида - фосфида галлия пороговая плотность тока имеет величину порядка 700-20 000 а/см2 в зависимости от длительности импульса и температуры диода (более низким температурам соответствуют меньшие значения пороговой плотности тока).

Ширина луча в перпендикулярном к плоскости р-п перехода направлении по уровню половинной мощности составляет 4-10°.

Для получения лазерного излучения в качестве резонатора используют оптически плоские грани самого кристалла. Такие грани получаются либо полировкой, либо скалыванием -вдоль кристаллографических осей. Для исключения излучения в нежелательных направлениях грани, перпендикулярные оси резонатора, делаются непараллельными. Линейные размеры полупроводникового лазера лежат в пределах 0,1-1 мм, а объем не превышает 0,5 мм3. В качестве исходных материалов для полупроводниковых ОКГ наиболее подходят компаундные полупроводники, состоящие из элементов III и V, а также II и IV групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева. В частности, к этим материалам относятся арсенид галлия, арсенид индия и др.

Плотность порогового тока уменьшается с понижением температуры (при 77° /=

= 10* а/см3, при 4,2° /=6 - I02 а/см3, при комнатной температуре /~105 а/см2).

При малых токах ширина спектральной

линии излучения составляет 100-200 А. При пороговом значении тока происходит

сужение спектральной линии до 10-20 А. Минимальная ширина спектральной линии

порядка 1 А. Получено излучение как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Диапазон длин волн полупроводниковых ОКГ простирается от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра.

В полупроводниковых лазерах легко осуществить амплитудную модуляцию в широком диапазоне частот путем изменения величины проходящего через диод тока.

Оптические квантовые генераторы в режиме импульсной добротности (генераторы гигантских импульсов)

Для повышения пиковой мощности импульсов оптического квантового генератора используется режим импульсной добротности (генераторы такого типа называются также генераторами с управляемой или модулированной добротностью). В этом режиме в течение оптической накачки генератора внешние зеркала резонатора разделены закрытым оптическим затвором. При закрытом затворе добротность резонатора делается чрезвычайно низкой, генерация из-за отсутствия положительной обратной связи не возникает и на метастабильном уровне происходит накопление атомов активного вещества. В момент, когда инверсия населенности достигает своего наивысшего значения, затвор открывается на короткое время (~30 нсек), добротность резонатора становится высокой и происходит быстрый индуцированный переход атомов в основное состояние, в результате чего на выходе лазера появляется мощный короткий импульс когерентного света.

Управление добротностью применяют чаще всего в лазере на рубине. В 1 см3 розового рубина находится приблизительно 1019 атомов хрома. Если считать, что в индуцированном излучении участвует половина атомов, то энергия излучаемого импульса составит 1,5 дж на 1 см3 активного вещества. Длительность импульса определяется временем установления колебаний в рубине и временем переключения добротности резонатора и равняется обычно Ю-8-Ю-6 сек. Таким образом, выходная импульсная мощность ОКГ, использующего переключение добротности, может составлять 1,5- 150 Мет при объеме стержня в 1 см3.

Для управления добротностью оптического резонатора могут быть применены различные приборы, в частности, вращающийся внешний отражатель, поляризационные переключатели типа ячейки Керра или Пок-кельса и др.

На рис. 29-29 изображена система, основанная на вращении одного из отражате-