Беседы о физике и технике

На рис. 47 показан характерный общий вид твердотельного ОКГ. Здесь 1 — активный стержень, 2 — зеркала оптического генератора, представляющие собой специально обработанные торцы активного стержня, 3 — лампа-вспышка (возможны также конструкции, использующие лампу непрерывного горения), 4 — эллиптический отражатель. В современных лазерах для более эффективной концентрации световой энергии лампы на активном стержне осветитель и рубиновый стержень располагают в фокусах эллипса.

Рис. 47. Твердотельный рубиновый лазер

Ионы хрома, входящие в состав рубина, до вспышки находятся на самом нижнем невозбужденном уровне. Два возбужденных состояния ионов лежат в зеленой и синей областях спектра.

Поглощая зеленый или синий свет, содержащийся в излучении лампы-вспышки, ионы переходят в возбужденное состояние, т. е. на уровень £У (см. рис. 43). Время жизни ионов на этом уровне менее 1∙10^-7 с. Они быстро переходят на нижний возбужденный уровень E₂, отдавая некоторую часть энергии решетке кристалла, нагревая ее. На этом уровне ион может находиться относительно долго (~ 10^-3 с).

При достаточно мощной вспышке можно перебросить на метастабильный уровень за 10^-3 с достаточное количество частиц и получить инверсию населенности между метастабильным и невозбужденными уровнями иона. Переход частиц с уровня E₃ на уровень E₂ происходит без испускания электромагнитных волн, тогда как переход с метастабильного на основной уровень происходит с испусканием света в красной области спектра (λ = 694,3 нм).

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^-3 с, 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/v₃₂ = 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^-8 с (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 10⁶—10¹⁰ МВт при длительности порядка 10^-12 с.

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.