Теоретические основы квантовых приборов. Теоретические основы
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
Лазеры на электронно-колебательных переходах За счет того , что обычно энергия электронно - колебательных переходов превышает энергию колебательно - вращательных переходов , излучение лазеров этой группы , как правило , относится к наиболее коротковолновой части оптического спектра , в том числе к ультрафиолетовой и вакуумно - ультрафиолетовой частям диа - пазона электромагнитных волн К лазерам этой группы относятся азотный лазер (0.337 мкм ), лазер на парах меди (0.51 мкм ), водородный лазер (0.160 и 0.116 мкм ) и некоторые другие Общим для них является очень высокое уси - ление , позволяющее работать с одним лазерным зеркалом или вообще без ре - зонатора в режиме усиленного спонтанного излучения ( так называемые свер - хизлучения ), работа в режиме сверхкоротких импульсов и с очень большой пиковой мощностью излучения , доходящей до 1 МВт В эту же группу вхо - дят эксимерные лазеры , отличающиеся по принципу действия от остальных и широко применяющиеся в настоящее время N/N 0 Нижний уровень х, см Область расширения 0 T = 354 К P = 0.086 атм T = 1400 К P = 17 атм 10 20 30 Верхний уровень Активная область Рис. 42 7 66 Эксимерные лазеры. Эксимер – это молекула, которая существует только в возбужденном состоянии. Рассмотрим двухатомную молекулу, по- тенциальные кривые которой приведены на рис. 43. Основное состояние со- ответствует взаимному отталкиванию атомов, поэтому молекула в связанном состоянии не существует. В воз- бужденном состоянии потенциаль- ная кривая имеет минимум, т. е. существует димерная форма моле- кулы ∗ 2 A . Если в некотором объеме создано достаточно большое коли- чество димерных молекул, возмож- на генерация между верхним (свя- занным) и нижним (несвязанным) состояниями молекул. Лазер на эксимерах обладает двумя особенностями, связанными со спецификой нижнего состояния молекул: 1) как только в результате генерации излучения молекула перехо- дит на нижний уровень, она немедленно распадается, что означает, что насе- ленность нижнего уровня всегда равна нулю; 2) не существует четко выра- женных вращательно-колебательных переходов, и переход является широко- полосным, что позволяет получить перестраиваемое излучение в пределах этого широкополосного перехода. В качестве примера лазеров такого типа можно назвать ∗ 2 Xe - лазер Верхний лазерный уровень обычно накачивается импульсным электронным пучком При этом используется газ Xe при высоком давлении ( P > 6 10 Па ). Такой лазер излучает на длине волны 0.173 мкм ( вакуумный ультрафиолет ), перестраивается в диапазоне 5 нм и имеет эффективность преобразования энергии порядка 20 %. 4.4. Твердотельные лазеры Твердотельными лазерами принято называть лазеры , активная среда которых образована прозрачными диэлектриками ( кристаллами или стекла - ми ), активированными ионами металлов В качестве таких активаторов чаще всего используются ионы редкоземельных металлов ( неодима , эрбия , туллия , Возбужденное состояние Э не рг ия А+A Полоса генерации А 2 * Рис. 43 Расстояние между ядрами Основное со- стояние 67 гольмия иттербия), хрома, титана и др. Активные элементы твердотельных лазеров за счет сильного взаимодействия электронных оболочек атомов имеют достаточно широкие полосы поглощения. Лазеры на рубине. На кристалле рубина был создан первый лазер. Ру- бин представляет собой кристалл корунда 3 2 O Al , в котором часть ионов + 3 Al замещена ионами хрома + 3 Cr Кристаллы рубина обычно получают выращиванием из расплава 3 2 O Cr ( примерно 0.05 мас . %) и 3 2 O Al Инвер - сия населенностей в кристалле рубина создается с помощью оптической накачки , для которой используют импульсные лампы высокого давления , расположенные параллельно активному элементу , причем лампа и активный элемент размещены в фокусах эллиптического цилиндра , образованного от - ражателем света ( рис . 44, a ). Иногда используются Xe- лампы низкого давле - ния , расположенные по спирали вокруг активного элемента В этом случае отражатель в виде кругового цилиндра охватывает активный элемент и лампу ( рис . 44, б ). В последние годы активно используется накачка с помощью ли - неек светодиодов , которая является существенно более эффективной за счет узкой полосы излучений светодиодов Схема энергетических уровней ионов хрома приведена на рис . 45. Два уровня , 1 4F и 2 4F , представляют собой уровни резонансного поглощения оптической накачки в синей области спектра и состоят из шести дублетов в виде широких полос поглощения Верхние рабочие уровни E и A 2 являются метастабильными со временем жизни 3 10 4 3 − ⋅ с Время перехода с уровней поглощения на верхние рабочие уровни составляет ( ) 7 10 5 2 − ⋅ … с, т. е. пере- дача возбуждения к лазерному переходу происходит почти мгновенно. Ниж- ним рабочим уровнем является дублет основного состояния + 3 Cr Отражатель F 1 F 2 Лампа Рубин a б Рубин Отражатель Рис. 44 68 Такая схема уровней – трех- уровневая, и инверсия населенно- стей создается в случае возбуждении на верхние рабочие уровни более половины ионов, первоначально находящихся в основном состоянии 2 / 0 N N > Генерация происходит на двух переходах с длинами волны 0.6943 и 0.6928 мкм В настоящее время лазеры на рубине практически не используются – как из - за низкой эффективности трехуровневой схе - мы , так и из - за невысокого оптиче - ского качества рубинов Nd 3+ -лазеры. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются различные кристаллы и стекла , активированные ионами + 3 Nd Весьма рас - пространен , в частности , кристалл алюмоиттриевого граната 12 5 3 O Al Y ( ИАГ ). Возбуждение рабочих уровней в нем происходит по четырехуровне - вой схеме с оптической накачкой в полосах 520, 580, 740, 800 и 900 нм Кри - сталлы граната с показателем преломления n = 1.82 искусственно выращива - ют из расплава Потери на одной грани кристалла составляют 8.5 %, поэтому торцы активного элемента полируют и просветляют Эти кристаллы являются уникальным лазерным материалом , так как обладают высокой теплопроводно - стью , большой твердостью и высокими оптическими характеристиками Схема рабочих уровней представлена на рис . 46. Широкая полоса , занимаемая уров - нем 4 ( время жизни 8 10 − с ), позволяет проводить оптическую накачку с высо - кой эффективностью Пороговая мощ - ность энергии накачки в таких лазерах в 1000 раз ниже , чем в рубиновом лазере 4I 11/2 1 4 3 2 Основное состояние 4I 9/2 4F 5/2 Э не рг ия Рис. 46 4F 3/2 4I 15/2 4I 13/2 И зл уч ен ие R 1 (0 .6 9 4 3 м км ) R 2 (0 .6 9 2 8 м км ) О пт ич ес ка я на ка чк а (с ин ее и зл уч ен ие ) 4F 1 A 2 E 4F2 Э не рг ия Cr 3+ Рис. 45 Основное состояние 69 Получение инверсии населенностей рабочих уровней происходит по четы- рехуровневой схеме. С уровня 2 / 5 4F атомы очень быстро переходят на верх - ний рабочий уровень 2 / 3 4F Излучение на основном лазерном переходе между уровнями 2 / 3 4F и 2 / 11 4I имеет длину волны 1.06 мкм Время жизни верхнего уровня составля - ет 3 10 − с , а нижнего – 7 10 − с , поэтому населенность нижнего лазерного уровня близка к нулю С нижнего уровня атомы быстро переходят в основное состояние 2 / 9 4F Промышленные образцы лазеров на ИАГ дают мощность генерации до 300 Вт с КПД 2-3 % и расходимостью излучения около 30´. В режиме генерации импульсов энергия импульса составляет 60 Дж при его длительности 0.5 нс Сообщается о достижении пиковой мощности около 13 10 Вт Частота повторения импульсов может быть более 10 кГц С не - сколько меньшей эффективностью подобная лазерная среда может использо - ваться и для генерации излучения с длиной волны 1,32 мкм Генерация ионов неодима возможна и в ряде других кристаллических сред , а также в стеклах различного химического состава Преимуществом стекла является невысокая стоимость изготовления активных элементов и возможность изготовления активных элементов большого размера , а недо - статком – невысокая теплопроводность стекла , что затрудняет теплоотвод Заметим , что при работе твердотельных лазеров значительная доля энергии накачки теряется в объеме активной среды и переходит в конечном счете в тепловую энергию , т е в нагрев активного элемента , приводящий к наруше - нию качества лазерного пучка или даже к разрушению кристалла Весьма схожи с неодимовыми и лазеры на основе кристаллов или сте - кол , активированных другими редкоземельными ионами ( эрбием , туллием , гольмием , иттербием и рядом других ), также обеспечивающие эффективную генерацию в спектральном диапазоне 1…3 мкм Режимы работы твердотельных лазеров. Лазеры могут работать в раз - личных режимах : непрерывном , импульсном и импульсно - периодическом В непрерывном режиме оптическая энергия излучается непрерывно в течение некоторого промежутка времени ( трудно в течение длительного вре - мени поддерживать инверсную населенность в активной среде ). Для поддер - жания стационарной инверсии , необходимой для поддержания непрерывной генерации , большую роль играют механизмы очищения уровней К недостат - 70 кам относят необходимость ввода атомов или молекул для релаксации, а также трудности при решении проблемы отведения выделяющегося в актив- ной среде тепла. В импульсном режиме генерируются одиночные либо регулярно по- вторяющиеся импульсы лазерного излучения. Различают лазеры периодиче- ского (или частотно-импульсного) действия – это лазеры импульсного ре- жима, работающие с частотой повторения, задаваемой схемой управления, и лазеры непериодического (чаще всего однократного) действия – лазеры им- пульсного режима, излучающие в момент времени, задаваемый оператором. Как правило, импульсная генера- ция может быть реализована как при им- импульсной, так и при непрерывной накачке. Импульсная накачка имеет сле- дующие преимущества: ее проще реали- зовать технически, легче осуществлять отвод теплоты из активной среды, воз- можно получение генерации в значи- тельно большем количестве сред или на большем количестве переходов в данной среде. Рассмотрим подробнее некоторые разновидности импульсного режима. Он обеспечивает наиболее высокие уровни энергии импульсов излучения (в та- ком режиме чаще всего работают твердотельные лазеры). Параметры им- пульсов излучения определяются энергией импульса накачки. Режим «пичковой» генерации. В этом режиме под действием импульса накачки, обычно имеющего длительность T ≈ 1 мс, излучается последова- тельность относительно коротких импульсов, называемых пичками (рис. 47). Их длительность t 1 составляет десятые доли микросекунды. Временной ин- тервал между соседними пичками t 2 колеблется от 1 до 10 мкс. Такая особая пичковая структура излучения твердотельных лазеров была обнаружена еще в эксперименте 1960 г. с самым первым рубиновым ла- зером. Сходная картина наблюдается и в других твердотельных лазерах. Природа появления пичков может быть качественно объяснена следу- ющим образом. После «включения» накачки населенность верхнего лазерно- Накачка Усиление Пичковая генерация t 1 T t 2 Рис. 47 71 го уровня (а значит, и коэффициент усиления) будет возрастать, и в какой-то момент времени достигнет порогового значения, необходимого для развития процесса лазерной генерации. Дальнейший рост населенности верхнего уровня сверх порогового значения приводит к быстрому росту интенсивно- сти поля на частоте генерации и, соответственно, к увеличению скорости вы- нужденных переходов с верхнего лазерного уровня, что влечет за собой уменьшение инверсии населенностей. Это вызывает падение коэффициента усиления среды и уменьшение интенсивности излучения на выходе лазера. Генерация прекращается, как только населенность окажется меньше порого- вой. Так формируется первый «пичок». Спустя некоторое время под действи- ем накачки вновь достигается условие генерации и формируется следующий импульс излучения. Такой режим возникает лишь при условии одномодовой генерации и неизменности параметров лазера во времени. В реальных условиях чаще наблюдается режим нерегулярных пульсаций, характеризующийся хаотич- ным изменением амплитуды, длительности и временного положения отдель- ных пичков. Причины: вибрация зеркал резонатора, неравномерность накач- ки, многомодовость генерации и др. Режим генерации «гигантских импульсов » или моноимпульсов. Этот режим используется для получения мощных световых импульсов в лазерах с импульсной накачкой. Искусственно снижая добротность резонатора в начале действия импульса накачки (см. 2.4), можно обеспечить весьма высо- кий порог генерации. Это позволит со- здать в активной среде значительную инверсную населенность (рис. 48). После достижения максимально возможной инверсии, ограниченной лишь спонтанными переходами с верхнего лазерного уровня, производится быстрое восстановление добротности резонатора, при этом уровень потерь, а следовательно и порог генерации, быстро понижается до минимально воз- можного значения. В результате начальная инверсия и усиление оказываются T t 1 Рис. 48 72 существенно выше этого нового порога, отвечающего малым потерям. Накопленная в активной среде энергия излучается в виде одиночного корот- кого светового импульса большой мощности (моноимпульса), называемого иногда «гигантским». Мощность такого импульса связана с его длительно- стью, и она тем больше, чем больше начальная инверсия отвечающая низкой добротности резонатора по сравнению с пороговым значением инверсной населенности, соответствующей высокой добротности. Минимальная дли- тельность моно импульса 1…3 нс (обычно 10…100 нс), а максимальная им- пульсная мощность может составлять 10 9 Вт и больше. Максимальная энер- гия в импульсе достигается при определенной задержке «включения» доб- ротности, соответствующей максимуму населенности верхнего лазерного уровня. Время переключения добротности должно быть меньше длительно- сти генерируемого импульса. Режим синхронизации (захвата) мод используется для получения еще большей мощности импульсов. Лазерный импульс можно представить в виде набора N монохроматических волн (продольных мод), разделенных по часто- те интервалом ∆ f = c/(2l). Тогда выражение для электрического поля импуль- сного излучения на выходном зеркале резонатора имеет вид ( ) ( 1) 2 0 ( 1) 2 cos ω ∆ω ω m N m m m N E A m t = − =− − = + + ∑ , (81) где ω 0 = 2 π f 0 – средняя частота (несущая); ∆ω = 2 π∆ f. Результат интерферен- ции мод зависит от соотношения между фазами ϕ m (рис. 49). На этом рисун- ке показаны спектры (слева) и временной ход (справа) излучения лазера: а – с несинхронизованными модами; б – в режиме синхронизации мод при N = 100. На рис. 49, б, масштаб интенсивности зависимости I(t) уменьшен в 20 раз по сравнению с масштабом аналогичной кривой на рис. 49, а. Если фа- зы принимают случайные значения, то лазерное излучение имеет хаотиче- скую амплитудную модуляцию (рис. 49, а). Иначе обстоит дело при синхронизации мод, когда все фазы принима- ют одно значение, например ϕ m = 0. Полагая для простоты амплитуды мод одинаковыми (A m = E 0 ), можно просуммировать ряд (81) и получить простое выражение ( ) 0 0 ∆ω ∆ω cos ω ; sin cosec 2 2 N t t E A t A E = = (82) 73 а б Рис. 49 Анализ (82) показывает, что лазер с синхронизацией продольных мод излучает периодическую последовательность импульсов с амплитудами, в N раз превышающими амплитуду отдельной моды (рис. 49, б). Импульсы сле- дуют один за другим через время ∆ T = 2l/c, необходимое для полного про- хождения импульса в резонаторе. Длительность импульсов T = ∆ T/N, т. е. она в N раз меньше интервала между соседними импульсами. Представленная картина формирования сверхкоротких импульсов внешне напоминает ди- фракцию волны на решетке, состоящей из N щелей. Рассмотрим в качестве примера лазер с расстоянием между зеркалами l = 150 см, в котором синхро- низируются 100 продольных мод. Соответственно оптические импульсы сле- дуют с интервалом ∆ T = 10 нс, а их длительность T = 100 пс = 10 –10 с. Такие импульсы называются сверхкороткими. Синхронизации мод можно добиться несколькими способами. В каче- стве одного из них используется активная модуляция потерь с помощью аку- стооптической дифракционной решетки, вставленной в резонатор. В такой решетке за счет стоячей ультразвуковой волны, имеющей половинную часто- ту межмодовых биений f a = ∆ f/2 = c/l, производится модуляция показателя преломления в поперечном сечении n = n 0 + ∆ n sin( π t/ ∆ T) sin(k a x). Очевидно, что в моменты времени t j = ∆ Tj (j – целое число), когда sin( π t/ ∆ T) = 0 и n = n 0 , решетка не рассеивает проходящие через нее волны. Именно в эти моменты 74 времени ультракороткие импульсы проходят сквозь решетку (акустооптиче- ский модулятор) без дифракционных потерь. Синхронизацию мод можно осуществить также с помощью модуляции фазы световых волн в электрооптическом кристалле, прикладывая к нему пе- ременное электрическое поле. Синхронизация мод наступает и при вибрации одного из зеркал открытого резонатора на частоте межмодовых биений. Наконец, синхронизации мод можно добиться, помещая внутрь резонатора лазера ячейку с веществом, которое просветляется (меньше поглощает) в сильном оптическом поле. Тогда с наименьшими потерями через ячейку про- ходят сверхкороткие импульсы, образующиеся при синфазном сложении возбуждаемых продольных мод. |