Рубиновый лазер. РефератВведВСпец. Лазер на рубине
 Скачать 308.84 Kb.
|
.  МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. Баумана Факультет: Радиоэлектроника и лазерная техникаКафедра: Лазерные и оптико-электронные системы РЕФЕРАТ на тему «Лазер на рубине»
Москва, 2021 / 2022 уч. год СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………3История изобретения лазера на рубине…………………………………………..5Активная среда..........................................................................................................6Источники излучения накачки………………………………………...………….8Система охлаждения………………………………………………………………10Трехуровневая система накачки…………………………………………….........11Резонатор рубинового лазера………………………………………………..…....16Динамика излучения рубинового лазера…………………………………………20Динамика накачки………………………………………………………………....20 Классификация динамических режимов импульсной генерации………………22 Область применения…………………………………………………………….....24 Заключение…………………………………………………………………………24 Список литературы…………………………………………………………….…..26 ВВЕДЕНИЕ Лазер – это источник электромагнитного (оптического) излучения, формируемого путем вынужденного излучения микрочастиц вещества. Эта технология была названа по первым буквам англоязычного выражения – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), что переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения». В отечественной литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ). В 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического уровня на низший при внешнем воздействии. При данном переходе происходит освобождение некоторого количества энергии, и такое излучение называется вынужденным. Явление вынужденного излучения - принцип работы лазера, суть которого состоит в том, что возбужденный атом способен излучать фотон под действием другого без его поглощения, при условии, что энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. Простыми словами, если возбужденный атом столкнется с внешним фотоном с определенной частотой, он испустит когерентный (идентичный) ему. Таким образом, происходит усиление света. Этим явление вынужденного излучения отличается от спонтанного излучения, при котором излучаемые фотоны имеют разнонаправленные траектории движения. Независимо от вида, конструкция всех лазеров состоит из трех основных составляющих: активной среды, системы накачки и оптического резонатора. Активная среда – это рабочее вещество лазера, в котором создается инверсионная заселенность (преобладание атомов в возбужденном состоянии над атомами в состоянии покоя). Для создания инверсионной заселенности нужна система накачки, которая может быть газоразрядной лампой-вспышкой (для лазеров с твердыми веществами и полупроводниковыми материалами), электрическим разрядом (для жидких сред и газов), химической реакцией ( для химических генераторов) или сильным прямым током (для полупроводниковых лазеров). Оптический резонатор представляет собой два параллельно расположенных зеркала, одно из которых является полупрозрачным. В зависимости от типа используемого активного (рабочего) вещества различают: газовые, твердотельные (на твердых диэлектриках), жидкостные и полупроводниковые лазеры. В свою очередь газовые лазеры делятся на атомарные, ионные, молекулярные, эксимерные, химические, и т.д. Кроме того, можно выделить отдельно волоконные лазеры и лазерные усилители. В зависимости от режима работы лазеры подразделяются на импульсные и непрерывные. В настоящее время существует большое количество твердотельных лазеров, как импульсных, так и непрерывных. Одним из наиболее распространенных и мощных импульсных лазеров является лазер на рубине, о котором и пойдет далее речь. Благодаря большой механической прочности и теплопроводности кристаллов рубина, возможности выращивания образцов высокого оптического качества лазеры на рубине до сих пор широко используются на практике. Целью данного реферата является изучение принципов работы импульсного оптического квантового генератора (лазера) на рубине. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛАЗЕРА НА РУБИНЕ Рубиновый лазер был первой рабочей моделью квантового генератора. В 1960 году его сконструировал и запустил Теодор Мейман (Theodore Maiman) в научно-исследовательской лаборатории Хьюза, в городе Малибу, США. Предпосылкой создания лазера был ряд теоретических и экспериментальных исследований по спектральным свойствам рубина. Хотя некоторые ученые, к примеру Н.Г. Басов, утверждали, что свойства рубина не позволят использовать его в качестве активного элемента лазера. Тем не менее, рубиновый лазер был создан и была продемонстрирована его способность излучать интенсивный, очень узкий луч красного света одной длины волны. Долгое время лазер на рубине различных модификаций использовался для решения широкого спектра научных и прикладных задач. Однако он имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что он функционирует по трехуровневой схеме и поэтому требует высоких уровней энергии накачки и может работать только в импульсном режиме. Разработанные позже более экономичные твердотельные лазеры, способные к тому же работать в непрерывном режиме, постепенно вытеснили рубиновый лазер. Тем не менее до сих пор он остаётся востребованным источником интенсивных импульсов красного когерентного света, которые не способны генерировать другие лазеры, для таких применений, к примеру, как импульсная голография на фотопластинках большой площади. АКТИВНАЯ СРЕДА Рубин - кристалл корунда (окиси алюминия Al2O3), в котором часть атомов алюминия (Al) замещена ионами хрома (Cr). В лазерных кристаллах это обычно 0,05% весовых единиц, что соответствует концентрации ионов 1,6  109 см-3. Природные рубины с густо-красной окраской, которую создает большая концентрация хрома (порядка одного процента) для лазерной техники непригодны. Природные рубины имеют много дефектов, внутренних напряжений, посторонних химических примесей и макровключений, и не достигают нужных для лазерной техники размеров. Концентрация хрома в них существенно больше оптимальной.В лазерной технике применяют только синтетические монокристаллы розового рубина со строго нормированными составом и оптическими характеристиками. Повышение концентрации хрома сверх оптимума, во-первых, ухудшает однородность накачки за счет более сильного поглощения. Во-вторых, при высокой концентрации легирующих ионов их уровни энергии испытывают уширения и сдвиги за счет взаимодействий непосредственно между близко расположенными ионами. В результате возникает дополнительное однородное уширение и так называемое концентрационное тушениелюминесценции, то есть уменьшение вероятности излучательных переходов с верхнего лазерного уровня в сравнении с безызлучательными. Кристалл имеет высокую механическую прочность и теплопроводность, легко выращивается до больших размеров без потери высокого оптического качества. Активные элементы рубиновых лазеров имеют форму цилиндра диаметром от 5 до 16 мм и длиной от 80 до 240 мм. Рубин обладает двулучепреломлением и дихроизмом, поэтому для улучшения однородности излучения ось активного элемента чаще всего выбирают совпадающей с оптической осью монокристалла. Влияние дихроизма на эффективность накачки следует учитывать при монтаже активного элемента в осветитель, согласуя направление наибольшего поглощения с направлением излучения ламп. Иногда ось активного элемента ориентируют ортогонально оптической оси монокристалла. В этом случае излучение лазера будет иметь линейную поляризацию, направление которой привязано к ориентации оптической индикатриссы кристалла. Ориентацию оптической оси кристалл наследует от ориентации затравки на стадии выращивания слитка. Номенклатура размеров активных элементов, выпускаемых промышленностью, согласована с номенклатурой импульсных газоразрядных ламп. Особенность рубинового лазера как трёхуровневого требует добиваться как можно более однородного освещения активного элемента по всему его объёму. Для этого длина ламп, размеры корпуса осветителя, светоотражателя и активного элемента должны быть оптимально согласованы. Часто описываемые в учебной и справочной литературе отражатели с эллиптическими поверхностями, сложные в изготовлении, применяются редко. Практический опыт показывает, что гораздо большее значение имеет предельно компактное размещение ламп накачки и активного элемента, а диффузный светорассеиватель обеспечивает гораздо лучшую равномерность накачки в сравнении с зеркальными. Торцы активного элемента должны быть плоскими и отполированными по наивысшему классу точности. Торцы для удобства юстировки оптической схемы выполняют параллельными. Их плоскости могут быть ортогональными оси активного элемента или скошенными (чаще всего для проходных усилительных каскадов и для лазеров с особыми требованиями к спектру излучения, где недопустимо влияние излучения, отражённого от торца, за счёт его интерференции с исходным излучением). Иногда торцы срезают под углом Брюстера; в этом случае излучение лазера также линейно поляризовано, а в проходном усилителе обеспечивается наилучшая развязка входа от выхода. Цилиндрическим поверхностям активных элементов обычно придают шероховато-полированную зернистую структуру, которая нарушает полное внутреннее отражение и подавляет возможную паразитную генерацию лазера на кольцевых типах колебаний. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НАКАЧКИ Для накачки используют линейные импульсные газоразрядные лампы, заполненные ксеноном или криптоном при типовом давлении 500 Торр. Такие лампы дают практически белый свет с существенной долей его в сине-зеленой и фиолетовой области спектра, где ионы хрома имеют сильные полосы поглощения. Активный элемент вместе с лампами накачки монтируют в герметичном светоотражателе. Лампы и светоотражатель в сборе называют осветителем лазера; осветитель в сборе с активным элементом называют излучателем или квантроном. В современных лазерах чаще всего применяют прямолинейные импульсные газоразрядные лампы. Спиральные лампы, которые применяли в первых образцах рубиновых лазеров, ныне встречаются редко. В рубиновом лазере обычно устанавливают две или четыре импульсные лампы с максимально-допустимой энергией разряда 5…8 кДж на одну лампу. При длине активного элемента 240 мм диаметром 16 мм в импульсе свободной генерации энергия лазерного излучения достигает нескольких десятков джоулей. Лампы обычно соединяют последовательно, чтобы упростить синхронизацию их импульсного зажигания. Для питания импульсных ламп накачки в твердотельных лазерах применяют высоковольтные импульсные конденсаторы на рабочие напряжения 1…5 кВ; отдельные конденсаторы с электрической емкостью 50…100 мкФ, соединенные параллельно, собирают в батареи. В установках рубиновых лазеров применяют конденсаторы с бумажно-масляной изоляцией, а также с комбинированной бумажно-полимерно-масляной изоляцией (свыше 5 кВ). Если сопротивление разряда в лампах недостаточно ограничивает ток, то между батареей и лампами включают дроссели (10…200 мкГн). В этом случае скорость нарастания тока ограничена индуктивностью дросселя, а скорость спада – сопротивлением газового разряда и проводов, с некоторым вкладом индуктивности дросселя. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ Для охлаждения ламп накачки и активного элемента лучше всего применять дистиллированную воду, чтобы избежать образования осадков и накипи. Система охлаждения обычно двухконтурная, с дистиллированной водой во внутреннем замкнутом контуре и проточной водопроводной водой во внешнем открытом контуре. В двухконтурной системе избыток тепла эффективно сбрасывается в сток. Менее эффективны, но экономны по безвозвратному расходу воды замкнутые системы с воздушными теплообменниками для охлаждения воды, прошедшей через лазер. Не следует использовать простое проточное охлаждение лазера водопроводной водой из-за ускоренного осаждения накипи и риска загрязнения поверхностей ламп, отражателей и активного элемента. В оба контура охлаждения желательно установить сетчатые фильтры для улавливания осадков.  Рис. 1. Схема лазера на рубине ТРЕХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА НАКАЧКИ Впервые на возможность использования трехуровневых систем для создания инверсной населенности указали Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в 1955 году. Оптическая накачка заключается в том, что вещество подвергается воздействию мощного излучения, которое, поглощаясь веществом, выводит его из состояния равновесия. В начальный момент вещество находилось в состоянии термодинамического равновесия, и распределение атомов по уровням описывалось формулой Больцмана:  ,где m и n=1, 2, 3. В оптическом диапазоне энергетический зазор (расстояния по частоте) между энергетическими уровнями настолько велики, что практически для всех рабочих температур  , т.е. все частицы в состоянии равновесия практически находятся на нижнем (основном) уровне, а верхние уровни пусты. Вероятности безызлучательных переходов с нижних уровней на верхние пренебрежимо малы.Сложную систему уровней энергии иона Cr3+, участвующих в работе лазера, принято описывать упрощенной трехуровневой схемой, показывая на ней мультиплетные возбужденные состояния в виде полос или отдельных уровней. Длины волн для середин полос поглощения равны 0,56 мкм (560 нм) для нижнего уровня 3 и 0,41 мкм (410 нм) для верхнего уровня 3, а ширина каждой из них составляет около 0,1 мкм (100 нм). Поглощение в рубине зависит от направления распространения света относительно оптической оси кристалла. Ионы хрома, поглощая энергию накачки в зеленой (λ, 0,56 мкм) и синей (λ, 0,41 мкм) полосах оптического спектра, переходят в возбужденное состояние. Спектр поглощения рубина представлен на рис. 2, где две кривые соответствуют двум направлениям падающего излучения относительно оптической оси кристалла (|| - падающий свет параллелен оси кристалла, _|_- падающий свет перпендикулярен оси кристалла). Время жизни ионов хрома Cr3+ в состояниях 3 (см. рис. 2) составляет 5 • l0-8 с. Основная часть возбужденных ионов хрома (75 %) с уровней 3 за счет безызлучательной релаксации переходит на метастабильный уровень 2. Остальные 25% возбужденных ионов переходят в исходное состояние 1. Уровень 2 состоит из двух близко расположенных подуровней, разность энергий между которыми приблизительно составляет 3,6 • l0-3 эВ (29 см-1). Оба подуровня находятся в тепловом равновесии, и, в соответствии с распределением Больцмана, населенность нижнего подуровня несколько больше, чем верхнего. Перераспределение частиц между подуровнями и восстановление равновесного состояния происходит за время 10-7 с. Верхний подуровень подпитывает нижний, непрерывно восполняя уход возбужденных частиц из нижнего состояния. Накопление возбужденных частиц в состоянии 2 и, следовательно, получение инверсии населенностей для рабочего лазерного перехода 2-1 возможно благодаря большому времени жизни частиц на метастабильном уровне 2. Процесс накопления активных частиц будет продолжаться до тех пор, пока инверсная населенность не превысит пороговую. Расчеты показывают, что в режиме генерации колебаний в лазере на рубине на втором уровне должно находиться не менее трети от общего числа всех возбужденных частиц. В рубиновом лазере из-за наличия двух подуровней 2 генерация осуществляется на двух линиях, которые обозначаются R1 и R2 (см. рис. 2). Длины волн этих линий зависят от температуры кристалла, так как температура изменяет внутрирешеточное расщепление энергетических уровней основного состояния. Зависимость длины волны генерации от температуры кристалла является специфической особенностью твердотельных лазеров. Длина волны генерации лазера на рубине при комнатной температуре на линии R1 составляет 694,3 нм, а на линии R2 - 692,9 нм. Максимальный показатель поглощения в полосах уровней 3 составляет 2...4 см-1 при оптимальном содержании ионов хрома. При этом диаметр активного рубинового элемента не превышает 2 см. Обычно применяют искусственные стержни диаметром около 1,0 см, оптическая ось которых составляет угол 90° или 60° с осью стержня·. Лазерное излучение в этих случаях линейно поляризовано с вектором электрического поля, расположенным перпендикулярно плоскости, проходящей через оптическую ось кристалла рубина и ось стержня. Характерное пороговое значение интенсивности накачки в рубиновом лазере на полосе поглощения λ - 0,56 мкм составляет величину порядка  3 Дж/см2. Рис. 2. Рис.3. Для трехуровневого лазера разумно определить два пороговых уровня мощности накачки: порогинверсии – мощность накачки, необходимая для уменьшения в два раза заселенности основного состояния; при этом заселенности нижнего и верхнего рабочих уровней лазера будут равными; порог генерации – мощность накачки, необходимая для полной компенсации потерь излучения в лазере усилением активной среды. Эти определения корректны для лазера с непрерывным излучением. Применительно к импульсным лазерам, в которых длительность накачки и генерации не превышает времени жизни на верхнем рабочем уровне, в определениях порогов, очевидно, речь должна идти не о мощности, а об энергии накачки. Еще правильнее говорить не о подведенной к лазеру энергии накачки, а об энергии, накопленной в активной среде (учитывая ее потери из-за релаксации). Порог инверсии характеризует в первую очередь свойства материала активного элемента, а порог генерации характеризует только конкретный лазер в целом. Когда длительность накачки и время жизни на верхнем рабочем уровне близки по порядку величины, ни мощность, ни интегральную энергию накачки нельзя признать доброкачественным количественным показателем «энергичности» накачки. Трехуровневая схема во многом определяет особенности работы лазера на рубине. Реальная мощность накачки, создающая усиление, для рубина – только избыток полной мощности над порогом инверсии. Поэтому небольшие вариации освещенности рубина по объему создают сильные неоднородности в распределении усиления, иногда с провалами до уровня заметного поглощения. Досадное свойство трехуровневой активной среды – поглощение на частоте самого лазерного излучения в пассивных (слабо освещенных излучением накачки) областях. Присутствие таких пассивных областей при неудачной конструкции ухудшает рабочие характеристики рубинового лазера: снижаются энергия и мощность генерации, усложняется динамика излучения (зависимость мощности от времени, характер самопроизвольных пульсаций мощности и т.п.). Удельный съем энергии в режиме свободной генерации составляет 0,2 ... 0,25 Дж/см2, т. е. КПД не превышает 1...2%. Низкий КПД рубинового лазера обусловлен его работой по трехуровневой схеме. Это обстоятельство учитывают при проектировании лазеров на рубине, стараясь избежать сильных неоднородностей освещения активного элемента по длине. Из-за сильного уширения линии усиления при увеличении температуры при работе рубинового лазера с большими частотами повторения импульсов, а тем более при непрерывной накачке, необходимо эффективное принудительное охлаждение кристалла. Трехуровневая схема рубинового лазера затрудняет достижение непрерывной генерации; для поддержания минимального усиления приходится подводить световую мощность в сотни ватт к кубическому сантиметру рубина, а потом почти всю ее отводить в виде тепла, прокачивая через лазер литры воды в секунду. Из-за таких технических сложностей рубиновые лазеры чаще всего работают в режиме генерации одиночных импульсов при длительности накачки порядка миллисекунды, и исключительно редко – в режимах непрерывной генерации и с импульсно-периодической накачкой. РЕЗОНАТОР РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА Оптический резонатор всякого лазера выполняет три важных функции: увеличение времени эффективного взаимодействия излучения с усиливающей средой (накопление энергии); выделение направления преимущественного излучения света (пространственная селекция); выделение определенных частот излучения (частотная селекция). В рубиновых лазерах одно из зеркал (заднее, глухое) обычно имеет коэффициент отражения выше 99%. Второе зеркало (переднее, выходное) обычно отражает 50…60% мощности падающего излучения. Отметим, что добротность резонатора длиной около метра даже с такими зеркалами с учетом реальных потерь в активном элементе не мала (порядка 105…106). В активном элементе длиной 200 мм при таких зеркалах порог генерации лишь немного превышает порог инверсии. Усиление в рубине выше порога инверсии быстро растет при увеличении энергии накачки, и может достигать (0,2…0,3) см-1. Если энергия накачки активного элемента длиной 200 мм в два раза превышает порог инверсии, то генерация возможна при уровне потерь в резонаторе примерно до 95%. Следовательно, резонатор рубинового лазера справляется с функцией накопителя, сохраняя всего несколько процентов энергии на один проход. Ширина линии усиления в рубине (10 см-1) на порядки больше, чем спектральное расстояние между соседними модами (10-2…10-3 см-1) типичного резонатора длиной порядка десятков сантиметров, поэтому резонатор выделяет множество дискретных частот, огромное даже при подавлении высших поперечных мод, с учетом только продольных мод. В твердотельных лазерах простой резонатор не справляется с функцией селектора частоты даже при однородном уширении спектра усиления; генерация идет на множестве мод, поля которых разделены в пространстве. Одночастотную генерацию удается получать только со сложными резонаторами, применяя дополнительные меры для селекции мод. Обычно при многомодовой генерации угол расходимости излучения получается не меньше 10–2 рад, а качество волнового фронта гораздо хуже, чем в гауссовых пучках. Диафрагмированием пучка внутри резонатора можно подавить генерацию всех поперечных мод, кроме основной, и качество волнового фронта улучшится, а расходимость уменьшится, но мощность и энергия лазерной генерации при этом сильно уменьшаются. В устойчивом резонаторе со сферическими зеркалами распределение поля в поперечных модах низших порядков сосредоточено вблизи от его оси. Поэтому объем моды невысокого порядка получается на порядки меньше, чем объем активного элемента, что крайне невыгодно по энергетике. Особенно невыгоден режим генерации на основной поперечной моде TEM00q. Реально в лазере с сечением активного элемента порядка 1 см2 работают поперечные моды с индексами от нуля до нескольких десятков. Из-за пространственной неоднородности усиления многомодовая структура излучения приводит к нестабильностям динамики излучения и во времени, и в диаграмме направленности излучения. Упрощенно говоря, две поперечные моды с большим различием в индексах могут быть похожими на два независимо работающих лазера, у которых есть лишь некоторое подобие в динамике накачки. Большой объем одной моды низшего порядка можно получить в открытом резонаторе вблизи от теоретической границы устойчивости. Свойственный таким резонаторам повышенный уровень дифракционных потерь может быть приемлемым, если учесть значительный запас усиления (до 50% и более) в типичном рубиновом лазере. Кроме того, можно применять и неустойчивые резонаторы с умеренными дифракционными потерями, по уровню сравнимыми с потерями на вывод излучения через полупрозрачное зеркало. Отметим общие недостатки резонаторов, работающих у границы устойчивости: расширение пучка вблизи от одного зеркала сопровождается его сужением у другого зеркала; юстировка оптической системы затруднена; вибрации и иные механические нестабильности сильнее отражаются на нестабильностях излучения; часто возникает нестабильность диаграммы направленности излучения и дифракционных потерь при изменениях рефракции активного элемента. В резонаторе рубинового лазера для достижения максимальной мощности и энергии излучения желательно получить распределение поля, захватывающее максимальную долю объема активного элемента. Отсюда следуют такие рекомендации: расчетное распределение поля должно соответствовать модам с высоким поперечным индексом; поэтому число Френеля оптической системы должно быть ограничено только апертурой активного элемента; перетяжку гауссова пучка желательно расположить как можно дальше от активного элемента; при этом не только увеличится достижимый объем моды, но и уменьшится риск лучевых повреждений активного элемента за счет самофокусировки и иных эффектов, связанных с большой плотностью потока энергии и напряженностью поля излучения; для расширения пучка в области активного элемента можно использовать линзы или иные варианты телескопической (афокальной) оптики, в том числе и зеркальной (для кольцевого резонатора); при ограничениях на габаритную длину можно применить устойчивый резонатор с выпуклым выходным зеркалом; в такой конфигурации перетяжка гауссова пучка расположена за пределами резонатора. ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ РУБИНОВОГО ЛАЗЕРАДинамикой излучения лазера называют зависимость мощности генерации от времени. По качественному виду этой зависимости противопоставляют непрерывную (квазистационарную) и импульсную (нестационарную) генерацию. Далее мы будем рассматривать только динамические характеристики импульсной генерации рубинового лазера, сопоставляя их с характеристиками других лазеров, в первую очередь твердотельных. ДИНАМИКА НАКАЧКИ Динамикой накачки мы называем зависимость мощности накачки от времени. Интуитивно понятно, что качественно различны накачка непрерывная и импульсная. Для практики представления о непрерывной и импульсной накачке нужно уточнять, сопоставляя временные параметры накачки с характерными временами процессов, происходящих в лазере. Действительно, для лазера на рубине накачка длительностью порядка миллисекунд представляется как импульсная, а для полупроводникового лазера – как непрерывная. Отметим, что к характерным временам процессов, протекающих в лазере и входящим в описывающие их физические модели, на практике нужно добавить и характерное время теплообмена лазера с окружающей средой. Ранее было отмечено, насколько трудно (технически) получить непрерывную генерацию в лазере на рубине. Поэтому типовой режим накачки лазера на рубине – импульсный. Длительность накачки выбирают от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд, в согласии с допустимой мощностью и энергией возбуждения ламп накачки. В простых установках форма светового импульса накачки - сглаженная треугольная; крутизну относительно короткого фронта нарастания задает ограничение тока индуктивностью и сопротивлением цепей разряда конденсаторов (накопителя энергии). Время нарастания импульса накачки вряд ли следует выбирать короче 50 мкс, чтобы не доводить лампы накачки до перенапряженных режимов. Крутизну и длительность спада мощности накачки в этом же случае задают емкость конденсаторов и сопротивление цепей разряда. Время жизни верхнего лазерного уровня – около 3 мс, поэтому разумно использовать световые импульсы накачки длительностью от сотен микросекунд до единиц миллисекунд. Иногда применяют более сложные формирователи импульсов накачки, которые замедляют уменьшение тока разряда за фронтом нарастания мощности накачки на интервале времени от сотен микросекунд до миллисекунд (с вариациями ± 10%). КЛАССИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ИМПУЛЬСНОЙ ГЕНЕРАЦИИ Обычно различают следующие динамические режимы работы импульсных лазеров: свободная генерация, модуляция добротности, сглаженная (беспичковая) генерация, синхронизация мод. Рядом с ними часто называют модуляцию накачки, но ее резоннее рассматривать как способ управления излучением лазера, обычно не очень мощного (до десятков ватт). Модуляция накачки – не особый режим генерации; ее результатом может быть режим генерации, родственный либо модуляции добротности, либо синхронизации мод, либо сглаженная генерация, либо свободная генерация с изменениями мощности. Известный метод разгрузки резонатора по существу трудно назвать даже способом управления режимом работы лазера; логичнее его считать способом вывода из резонатора излучения, уже сформированного в лазере на предшествующей разгрузке стадии генерации, чаще всего – свободной. Свободной генерацией собирательно называют различные режимы излучения лазера, не подверженного внешним управляющим воздействиям. Модуляцией добротности (резонатора лазера) называют изменения уровня потерь. Различают активную модуляцию добротности при внешнем целенаправленном воздействии, и пассивную модуляцию добротности как результат изменения пропускания оптического элемента (фильтра, затвора) внутри резонатора под действием излучения самой активной среды, без внешних воздействий. В самом узком смысле пассивной модуляцией добротности принято называть увеличение пропускания насыщающегося фильтра- ослабителя (пассивного затвора) под действием только спонтанного излучения, до возникновения лазерной генерации. Модуляцию добротности применяют для формирования мощных коротких импульсов лазерной генерации. К режимам модуляции добротности можно было бы причислить и работу лазера при изменениях потерь под действием самого лазерного излучения, выше порога генерации. Эти явления могут возникать в лазере без специальных предназначенных для этого оптических элементов, но непременно при большой плотности потока излучения на каком-либо участке трассы внутри резонатора. Такие режимы используют для генерирования ультракоротких импульсов и относят к разновидностям упомянутой ранее синхронизации мод. Синхронизацию мод по ряду признаков можно считать и особым классом динамических режимов, условно противопоставляя его всем остальным. Режимы синхронизации мод редко применяются в лазерах на рубине. Гладкая (квазинепрерывная) генерация в твердотельных лазерах может формироваться либо самопроизвольно (при длительности накачки много большей времени жизни верхнего лазерного уровня), либо при внесении в резонатор потерь, возрастающих при росте мощности излучения (сглаживание), либо за счет внешнего управления потерями в резонаторе (или усилением) при помощи следящей обратной связи по выходной мощности лазера. ОБЛАСТЬ ПРИМИНЕНИЯ РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА Лазеры на рубине характеризуются невысоким коэффициентом полезного действия, но зато отличаются термической стойкостью. Этими качествами и обуславливаются направления практического использования лазеров. Сегодня их применяют в создании голографии, а также на производствах, где требуется выполнять операции пробивки сверхточных отверстий. Используют такие устройства и в сварочных операциях. Например, при изготовлении электронных систем для технического обеспечения спутниковой связи. В медицине также нашел свое место рубиновый лазер. Применение технологии в данной отрасли вновь объясняется возможностью высокоточной обработки. Такие лазеры используют как замену стерильных скальпелей, позволяющих выполнять микрохирургические операции. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Лазер с рубиновой активной средой в свое время стал первой работающей системой такого типа. Но по мере развития альтернативных устройств с газовыми и химическими наполнителями стало очевидно, что его эксплуатационные качества имеют множество недостатков. И это не говоря о том, что рубиновый лазер является одним из самых сложных с точки зрения изготовления. По мере повышения его рабочих свойств увеличиваются и требования к элементам, составляющим конструкцию. Соответственно, растет и себестоимость устройства. Впрочем, развитие моделей лазеров на рубиновом кристалле имеет свои основания, связанные, кроме прочего, с уникальными качествами твердотельной активной среды. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Айрапетян, В.С. А36 Физика лазеров: учебное пособие / В.С. Айрапетян, О.К. Ушаков. – Новосибирск: СГГА, 2012. – 134 с. Егоров В. К., Проценко Е. Д. Лабораторный практикум «Лазер на рубине» – М. : МИФИ, 2008. – 112 с. Менушенков А.П., Неволин В.Н., Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии. Учебное пособие. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 212 с. Ташлыкова-Бушкевич, И. И. Физика: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2 : Оптика. Квантовая физика. Строение и физические свойства вещества / И. И. Ташлыкова-Бушкевич. – Минск: БГУИР, 2008. – 182 с. : ил. Шишкин Г.Г. Электроника : учеб. для вузов / Г.Г. Шишкин, А.Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703, [1] с. : ил. |