Главная | Обратная связь

Твердотельные лазеры

Это оптические квантовые генераторы, в которых в качестве рабочего вещества ( активной среды ) используют кристаллические или аморфные ( стекло ) диэлектрики. В рабочее вещество внедряют активные примеси. Для создания инверсной населенности используют оптическую накачку в виде излучения:

· газоразрядных ламп,

· ламп накаливания,

· вспомогательного лазера.

Схематическое изображение одного из возможных вариантов ТТЛ приведено на рис.2.5.

 

рис.2.5

1 – активное вещество,

2 – лампы накачки,

3 – зеркала оптического резонатора,

4 – отражающий кожух.

Первым ТТЛ был рубиновый лазер, предложенный Мейманом в 1960 году. Рубин – окись алюминия Al ₂ O₃ в кристаллической решетке которого часть ионов алюминия Al³⁺ замещена ионами Cr^3+. Роль активного вещества здесь выполняет хром. Диаграмма энергетических уровней хрома приведена на рис.2.6. Оптическая накачка производится облучением активного вещества ксеноновой лампой. Ионы хрома поглощают излучения и переходят из энергетического состояния E₁ в состояние E₃, или из состояния E₁ в E₄. Однако на уровнях E₃ и E₄ ион находится очень короткое время ~5 c, после чего осуществляет безызлучательный переход на один из уровней E₂ (энергия этого перехода идет на возбуждение тепловых колебаний кристаллической решетки).

 

рис.2.6

 

Возможны переходы E₄ E₁ и E₃ E₁, но вероятность этих переходов мала по сравнению с переходами E₄ E₂ и E₃ E₂.

Время жизни ионов хрома на уровнях Е₂(~5 с). Эти уровни являются метастабильными, благодаря чему на них идет накопление ионов. Это приводит к инверсной населенности уровней Е₂₁ и Е₂₂ по отношению к уровню Е₁, и, как следствие, к усилению и генерации на переходах E₂₂ E₁ и E₂₁ E₁ с длинами волн = 0,694мкм и =0,693мкм. Излучение с длиной волны = 0,694мкм имеет значительно большую интенсивность, чем излучение с =0,693мкм.

Твердотельные лазеры на рубине работают в импульсном и непрерывном режимах. Из-за проблем охлаждения активного вещества, в основном, используется импульсный режим генерации. Выходная мощность лазера зависит от энергии накачки Е_н, длительности импульса и режима генерации. В схеме, изображенной на рис. , удается получить импульсы длительностью ~ 10 ^–3 с с энергией до нескольких сот джоулей, что соответствует средней мощности в импульсе до сотен киловатт. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации.

Для увеличения мощности в импульсе за счет уменьшения их длительности (локация, дальнометрирование) используется режим модулированной добротности,который состоит в том, что в течение времени накачки из системы генератора исключается обратная связь (разъюстировка зеркал или их перекрытие оптическим затвором). Этот метод позволяет увеличить населенность уровня Е_2. С помощью таких лазеров можно получить импульсы длительностью ~ 10 ^–7…10 ^–9 с с мощностью в импульсе до нескольких гигаватт.

Рассмотренный вариант ТТЛ представляет собой трехуровневую квантовую систему. Коэффициент полезного действия ТТЛ составляет от доли процента до единиц процентов.

 

Газовые лазеры

В газовых лазерах в качестве активного вещества используется разреженный газ. Разработаны три типа газовых лазеров с накачкой электрическим разрядом:

· атомарные ( на нейтральных атомах ),

· ионные,

· молекулярные.

Эти лазеры отличаются друг от друга, в основном, длиной генерируемой волны .

Типичная схема газового лазера приведена на рис.2.7.

 

 

рис.2.7

Кварцевая газоразрядная трубка 1 заполнена газом или смесью газов, являющихся активной средой. Давление газа обычно составляет от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба. Трубка заканчивается двумя окнами, наклоненными к ее оси под углом Брюстера _Б, что позволяет излучению проходить через окна практически без отражения. В связи с этим значительно снижается число генерируемых частот (мод), т.к. каждое из окон пропускает лишь колебания, поляризованные в плоскости падения.

Зеркала 3 имеют, как правило, вогнутую форму, благодаря чему они оказываются менее чувствительными к разъюстировке. Электроды 2 впаиваются в трубку.

Активное газообразное вещество по сравнению с твердотельным имеет следующие преимущества:

1. Энергетический спектр вещества близок к энергетическому спектру изолированного атома, что обеспечивает узкие энергетические уровни Е, узкий спектр излучаемых частот и, следовательно, высокую степень монохроматичности излучения .

2. Высокая оптическая однородность газовой среды обеспечивает малое рассеивание (расходимость) оптического излучения на неоднородностях, что открывает возможности для увеличения расстояния L между зеркалами и приводит, как следствие, к высокой направленности излучения.

Однако газовые лазеры имеют определенные недостатки:

1. Малая мощность излучения, составляющая единицы мВт,

2. Относительно большие размеры, что не позволяет их использовать в интегральных оптических устройствах.

Газовые лазеры применяются, в основном, в системах передачи, обработки и записи информации, где необходима высокая пространственно-временная когерентность и высокая направленность излучения.