| ц).
Рис. 7. Типичная схема уровней активной среды твердотельного лазера непрерывного действия.
Примером твердотельных Л. непрерывного действия являются Л. на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и Л. на иттриево-алюминиевом гранате Y3Al5Oi2 с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких Л. работает в области длин волн X от 1 до 3 мкм. Возможность реализации непрерывного режима в этих Л. обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего перехода является не осн. уровень Е1, а возбуждённый уровень Е2 (рис. 7). Если уровень Е2 достаточно далеко отстоит по энергии от осн. уровня Е1 (по сравнению с к Т, где к - Больцмана постоянная, Т - темп-pa) и характеризуется достаточно малым временем жизни, то инверсия населённостей для уровней Е2, Е3 может быть создана с помощью сравнительно маломощных источников оптич. накачки. У нек-рых из таких Л. генерация осуществлена при накачке солнечным светом. Типичное значение мощности генерации твердотельных Л. в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для Л. на иттриево-алюминиевом гранате~ десятков вт. Если не принимать спец. мер, то спектр генерации твердотельных Л. сравнительно широк, т. к. обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в оптич. резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Как правило, это связано со значительным уменьшением генерируемой мощности.
Трудности выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла привели к созданию жидкостных Л., в к-рых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не в кристаллы, а в жидкость. Однако жидкостные Л. имеют недостатки и поэтому применяются не столь широко, как твердотельные Л. (см. Жидкостный лазер).
Генерация коротких и сверхкоротких импульсов. Если для накачки твердотельного Л. используется лампа-вспышка с длительностью импульса Тн ~10-3сек, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала генерации по сравнению с лампой- вспышкой обусловлено тем, что для развития генерации необходимо превысить нек-рое пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один проход рабочего объёма начинает превышать суммарные потери энергии за счёт отражения луча от зеркал резонатора, паразитного поглощения и рассеяния света. При достаточно больших мощностях накачки порог генерации достигается за время Т<Тн Такой режим работы Л., когда длительность лазерного импульса наз. режимом свободной генерации. Для ряда применений важно сократить длительность импульса Тл, т. к. при заданной энергии импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптич. накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, напр., помещая внутри резонатора оптич. затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса Тл определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.
Применяются различные типы оптич. затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, Керра ячейки (см. Керра эффект) и Поккельса (см. Поккельса эффект), управляемые электрич. сигналом, и т. п. С помощью оптич. затворов обычно получают импульсы длительностью Тл ~ 10-7 - 10-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения Тл достигает неск. порядков.
Новые возможности сокращения длительности импульса Л. открыло применение в качестве затворов просветляющихся фильтров. Таким фильтром обычно служит слабый раствор красителя, причём концентрация поглощающей компоненты подбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света достигалось насыщение (см. Насыщения эффект), при этом раствор становится прозрачным (просветляется). Введение в резонатор такого фильтра повышает порог генерации: при включении накачки в рабочем объёме начинают накапливаться возбуждённые частицы; растёт также и интенсивность их спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход рабочего объёма) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. Но как только достигается уровень просветления, затвор автоматически выключается, и уже ничто не препятствует развитию генерации. Применение просветляющихся фильтров позволило получить гигантские импульсы света длительностью до 10-9 сек, с энергией ~ десятков дж, что соответствует мощности ~ 1010 вт.
Если обеспечивается одномодовой режим генерации, то наблюдается единый, не имеющий структуры гигантский импульс. В остальных случаях гигантские импульсы имеют сложную структуру. Напр., для неодимового Л. они представляют собой последовательность значительно более коротких импульсов длительностями ~ 10-11 -10-12 сек. Происхождение этой структуры объясняется след, образом: спонтанное излучение атомов Nd в стекле характеризуется довольно широким спектром Ду ~ 1012 гц (ДА. ~ 100 А), т. е. представляет собой сумму большого числа монохроматич. колебаний с частотами в интервале Av и произвольными фазами. Поэтому интенсивность излучения изменяется во времени случайным образом (рис. 8), причём характерный временной масштаб всей этой картины, т. е. длительность типичных всплесков интенсивности, имеет порядок величины 1/2ПV. Оказалось, что с помощью введения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно сфа- зировать моды лазера. В идеальном случае, когда сфазированы все моды, излучение лазера приобретает вид регулярной последовательности импульсов с длительностью 1/2ПV. Интервалы между импульсами определяются длиной резонатора, т. е. равны периоду 2L/C. Подобный метод получения сверхкоротких и исключительно мощных импульсов получил название метода самосинхронизации мод. Практически сфазировать все моды лазера довольно трудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картина формирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формирования сверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерно следующим образом: на начальной стадии развития генерации излучение представляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивность соответствует горизонтальной прямой (рис. 8), то фильтр будет выключаться теми пучками, интенсивность к-рых больше просветляющей. После прохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать. Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случае достаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пика фильтр пропустит ещё неск. последующих более слабых пиков.
Рис. 8. Интенсивность спонтанного излучения активной среды неодимового лазера как функция времени. Горизонтальная прямая задаёт интенсивность, просветляющую фильтр.
Просветляющийся фильтр можно подобрать так, что он будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Это позволяет, используя нек-рые дополнит, устройства, выделять отдельные сверхкороткие импульсы генерации (рис. 9). Энергия каждого из таких импульсов, как правило, невелика, однако её можно значительно увеличить, если усилить первоначальный импульс с помощью второго Л. или нескольких Л., работающих в режиме усиления и отличающихся от Л. в режиме генерации отсутствием зеркал или к.-л. др. отражающих элементов, образующих резонатор. Все возможные причины отражений устраняются выбором соответствующей конструкции. Техника формирования сверхкоротких импульсов и их последующее усиление позволяют получить импульсы генерации длительностью ~ 10"11-10~12 сек и пиковой мощностью ~ 1012-1013 вт.
Рис. 9.
Можно ожидать от Л. на неодимовом стекле дальнейшего сокращения импульсов, по крайней мере в неск. раз. Однако измерение длительности столь малых временных интервалов затруднительно. Мощность ограничивается прочностью самих лазерных материалов и достигает 1012- 1013 вт. Это значительно превышает мощности крупнейших совр. электростанций. Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов открыло новый класс оптич. явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрическое преобразование частоты света, смешение частот и т. п. Все эти явления и их применения составляют содержание нелинейной оптики.
Газовые лазеры. Основным достоинством газов как активной среды Л. является высокая оптич. однородность. Поэтому для тех науч. и технич. применений, для к-рых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые Л. представляют наибольший интерес. Вслед за первым газовым Л. на смеси гелия и неона (1960) было создано большое количество разнообразных газовых Л., в к-рых используются квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Так, Л. на водороде работает на длине волны \ =0,17 мкм, Л. на ионах Ne3+ и Ne2+ работают на длине волны X = 0,2358 мкм и h = 0,3324 мкм, а Л. на молекулах воды Н2О - на длинах волн X = = 27,9 мкм и h = 118,6 мкм.
Среди Л. непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелий-неоновый Л. Этот Л. представляет собой заключённую в оптич. резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne. Он генерирует излучение с X = 0,6328 мкм, т. е. в красной области спектра. Типичные размеры трубки: длина неск. десятков см или 1- 2 м; диаметр неск. мм. Мощность генерации обычно составляет десятки мет. Гелий-неоновый Л. может работать также на целом ряде переходов в ближней инфракрасной области, напр, на длинах волн X = 1,152 мкм и X = 3,39 мкм. В Л. сравнительно просто реализуется предельно малая, т. е. дифракционная расходимость светового пучка.
Наиболее мощным Л. непрерывного действия в видимой области спектра является аргоновый Л. В нём используется электрич. разряд в Аг с большой плотностью тока (до неск. тысяч а/см2). Он работает на квантовых переходах иона Аг в синей и зелёной областях спектра: \ = 0,4880 мкм и X = 0,5145 мкм. Мощность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый Л. значительно сложнее гелий-неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным газовым Л. является Л. на СО2 (X. = 1,06 мкм). При непрерывном режиме работы СО2-Л. достигается мощность в десятки кет.
Создано также большое число импульсных газовых Л., работающих, как правило, в переходном режиме формирования разряда. Нек-рые из них в режиме коротких импульсов (длительностью ~ 10~9 сек) дают сравнительно высокие пиковые мощности ~ 10 кет. СО2-Л. также может работать в импульсном режиме, обеспечивая мощность 10'° вт.
Газовые Л. способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели Л. всех др. типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения Л. возникает целый ряд трудностей как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к "качанию" частоты Л., можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора, и физические, сказывающиеся на частоте рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствие теплового расширения и т. п. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей, флуктуации свойств активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Напр., разрабатываются спец. методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострик- ционные явления (см. Магнитострик- ция), пьезоэффект (см. Пьезоэлектричество) и т. п. В основе этих методов лежит следящая сис |
