| переходы др. возбуждённых атомов и вследствие этого усилится (рис. 3). Существенно, что усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, т. е. от направления. Если поместить активную среду в простейший оптич. резонатор, т. е. между двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, как в интерферометре Фабри - Перо (рис. 4), то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль оси интерферометра. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдёт в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т. д. При каждом "проходе" интенсивность волны увеличивается в ekL раз, где k - коэфф. усиления в см-1, L - длина пути волны в активной среде. Если усиление на длине L больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться всё больше и больше, пока плотность энергии р (v) в волне не достигнет нек-рого предельного значения. Рост р (v) прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, пропорциональная р (v), не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит наружу поток когерентного излучения.
Рис. 4. Активная среда в интерферометре Фабри - Перо.
Интерферометр Фабри - Перо, заполненный активной средой с достаточно большим коэфф. усиления, представляет собой простейший Л. В Л. используются оптич. резонаторы и др. типов - с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. (см. Открытый резонатор). В оптич. резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Л., могут возбуждаться только нек-рые определённые типы колебаний электромагнитного поля, наз. собственными колебаниями или модами резонатора. Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами (рис. 4) преим. возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Такой резонатор позволяет получать излучение высокой направленности. Телесный угол
[1402-16.jpg]
в к-ром сосредоточен поток излучения, может быть сделан
[1402-17.jpg]
где D - диаметр зеркал. Для [1402-18.jpg]мкл" и D = 1 см величина
[1402-19.jpg]
(для тепловых источников[1402-20.jpg]
Оптич. резонатор накладывает ограничения на спектральный состав излучения. При заданной длине резонатора L в нём возбуждаются волны с частотами где с - скорость света, n - целое
[1402-21.jpg]
число. В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны C/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать неск. десятков и сотен (рис. 5). При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент [1402-22.jpg] определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами. Так как величина [1402-23.jpg] может быть сделана во много раз меньше ширины спектральных линий спонтанного излучения атомов, то излучение Л. в одномодовом режиме характеризуется высокой монохроматичностью.
Рис. 5. Моды оптического резонатора.
Существующие Л. различаются: 1) способом создания в среде инверсии насе- лённостей, или, как говорят, способом накачки (оптич. накачка, возбуждение электронным ударом, химич. накачка и т. п.; см. ниже); 2) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости); 3) конструкцией резонатора; 4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Все эти различия определяются потребностями применений, предъявляющих часто совершенно различные требования к характеристикам Л.
Методы создания инверсии населённости. Для создания активной среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или неск. уровней энергии. Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптич. накачки, к-рый был использован в первом Л. на рубине. Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия А12О3 с примесью (~0,05%) ионов Сг3+, замещающих атомы А1 (см. Рубин). Уровни энергии иона Сr3+ в рубине показаны на рис. 6. Поглощение света, соответствующего синей и зелёной областям спектра, переводит ионы Сг3+ с осн. уровня E1 на возбуждённые уровни, образующие две широкие полосы 1 и 2. Затем за сравнительно малое время (~10~8 сек) осуществляется безызлучательный переход этих ионов на уровни E2 и E'2. Избыток энергии при этом передаётся колебаниям кристаллической решётки. Время жизни ионов Сr3+ на уровнях E2 и E'2 составляет 10-3 сек. Только по истечении этого времени ионы снова возвращаются на осн. уровень А. Переходам E2 - E1 и E'2 - E1 соответствует излучение в красной области спектра. Если освещать кристалл рубина светом источника, обладающего достаточно большой интенсивностью в синей и зелёной областях спектра (полосы накачки), то происходит накопление ионов Сr3+ на уровнях E2 и E'2 и возникает инверсия населённостей этих уровней по отношению к осн. уровню E1. Это позволило создать Л., работающий на переходах E2 -E1 и E'2 - E1, генерирующий свет с длиной волны h < 0,7 мкм. Для создания инверсии населённостей уровней E2, E'2 относительно E1 необходимо перевести больше половины ионов Сг3+ на уровни E2, E'2 за время, не превышающее 10-3 сек. Это предъявляет большие требования к мощности источника накачки. В качестве таких источников используются импульсные ксеноновые лампы. Длительность импульса накачки обычно ~ 10-3 сек. За это время в каждом см3 кристалла поглощается энергия в неск. дж.
Рис. 6. Структура уровней энергии кристалла рубина, Е1, Е2 - уровни иона Сг3+.
Метод оптич. накачки обладает неск. преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц (твёрдые тела, жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Так, в рубине в основном поглощается только та часть спектра излучения ламп накачки, к-рая ответственна за возбуждение ионов Сг3+. Всё остальное излучение попадает в область прозрачности и поглощается относительно слабо. Поэтому отношение полной энергии, вложенной в единицу объёма рабочего вещества, к полезной энергии, затраченной на создание инверсной населённостей уровней, в основном определяется особенностями используемой системы уровней. Все остальные потери энергии сведены к минимуму. В рубине теряется лишь та часть энергии, к-рая идёт на возбуждение собственных колебаний кристаллич. решётки в результате безызлучательных переходов (рис. 6, волнистые стрелки). Уменьшение паразитных потерь энергии существенно для уменьшения тепловых нагрузок вещества. Удельная энергия импульса генерации в твердотельных Л. достигает неск. дж от каждого см3 вещества. Примерно столько же энергии остаётся в рабочем веществе. Для одноатомного газа при атм. давлении энергия в 1 дж соответствует темп-ре 10 000 К. Для твёрдого тела, вследствие его большой теплоёмкости, выделение энергии ~ 1 дж/см3 даёт нагрев на десятки градусов. Недостатком метода оптич. накачки является малый кпд. Отношение энергии импульса Л. к электрич. энергии питания лампы- накачки в лучшем случае не превышает неск. % из-за неполного использования спектра ламп накачки (~15%) и вследствие потерь на преобразование электрич. энергии в световую в самих лампах.
Большое распространение получил метод создания активной среды непосредственно в электрич. разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого метода импульсов генерации большой энергии ограничиваются в основном малой плотностью рабочей среды; инверсию населённостей легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды Л. самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрич. разрядов в газах. В результате оказалось возможным создать Л., работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбуждение в электрич. разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы Л. с большим кпд преобразования электрич. энергии в энергию излучения Л. (см. Газовый лазер).
В наиболее мощном газоразрядном Л. непрерывного действия на смеси молекулярных газов СО2 и N2 (с добавлением ряда др. компонент) механизм образования инверсии населённостей состоит в следующем: электроны газоразрядной плазмы, ускоряемые электрич. полем, при столкновениях возбуждают колебания молекул N2. Затем в результате столкновений возбуждённых молекул N2 с молекулами СО2 происходит заселение одного из колебательных уровней СО2, что и обеспечивает возникновение инверсии населённостей. Все стадии этого процесса оказываются очень эффективными, и кпд достигает 20-30% .
В дальнейшем оказалось возможным создать газодинамический лазер на смеси СО2 и N2, в к-ром газовая смесь нагревается до темп-ры Т ~ 2000 К, формируется сверхзвуковой поток, к-рый, выходя из сопла, расширяется и тем самым быстро охлаждается. В результате быстрого охлаждения возникает инверсия населённостей рабочих уровней СО2 (см. Газодинамический лазер). Кпд преобразования тепловой энергии в излучение газодинамич. Л. невелик (~1%). Тем не менее газодинамич. Л. весьма перспективны, т. к., во-первых, в этом случае облегчается задача создания крупногабаритных Л. большой мощности и, во-вторых, при использовании тепловых источников энергии вопрос о кпд Л. стоит менее остро, чем в случае электроразрядных Л. При сжигании 1 г топлива (напр., керосина) выделяется энергия порядка десятка тыс. дж, в то время как электрич. энергия, запасавмая в конденсаторах, питающих лампы вспышки,-порядка 0,1 дж на 1 см3 объёма конденсатора.
Т. к. химич. связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химич. связей для возбуждения частиц, т. е. создание активной среды Л. в результате химич. реакций. Примером химич. накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси Н2 и F2 к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F+H2->HF + H, H + F2->HF+F и т. д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить СО2, то, кроме Л. на переходах HF (X ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО2 (X = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на СО2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и СО2. В этой смеси коэфф. преобразования химич. энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химич. Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химич. Л., в т. ч. сходные с газодинамическими Л.
В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами: 1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход', 2) возбуждением электронным ударом; 3) оптическим возбуждением (см. Полупроводниковый лазер).
Твердотельные лазеры. Существует большое кол-во твердотельных Л., как импульсных, так и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили Л. на рубине (см. выше) и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый Л. работает на длине волны X, = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4- 5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000дж за время ~ 10~3 сек.
Л. на рубине, наряду с Л. на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными Л. Полная энергия импульса генерации достигает сотен дж при длительности импульса 10~3 сек. Оказалось также возможным реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до неск. кг |
