Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
(рис. 93 б).
Для перевода атомов на верхние уровни применяют не только накачку с
помощью электромагнитного излучения. В газовых лазерах для возбуждения
атомов (и молекул) часто используют электрический разряд. (В плазме
разряда электроны приобретают энергию, достаточную не только для
возбуждения, но и для ионизации атомов.)
Инверсная населенность уровней может быть получена и с помощью некоторых
других методов. Атомы (и молекулы) в возбужденных состояниях могут
получаться в результате химических реакций. Так работают химические
лазеры. Преимуществом таких лазеров яв-
250
Глава 10
ляется высокий химический КПД1, достигающий 20%, а недостатком -
необходимость непрерывной замены рабочего вещества.
Существуют лазеры, использующие газодинамические эффекты. При быстром
охлаждении газа населенность уровней не сразу перестраивается от высоких
температур к низким. Время установления теплового равновесия зависит от
индивидуальных свойств уровней. Так, может случиться, что в трехуровневой
схеме (рис. 91) при понижении температуры уровень 2 опустошается раньше,
чем уровень 3. В этом случае между ними может возникнуть инверсная
населенность. Газодинамические лазеры могут работать, конечно, лишь в том
случае, когда при исходной температуре населенность третьего уровня
достаточно высока.
В настоящее время широко используются лазеры на полупроводниках с р - n-
переходами. При прохождении через р - n-переход электроны рекомбинируют с
дырками, выделяя заметное количество энергии (по порядку величины равное
ширине запрещенной зоны). В некоторых веществах (например, в арсениде
галлия) эта энергия с большой вероятностью выделяется в виде света и
может использоваться для создания лазера. Мы не будем далее обсуждать
этот вопрос, поскольку свойства полупроводников в этой книге будут
рассмотрены позднее.
§ 49. Устройство оптических квантовых генераторов
В качестве примера лазера, работающего по трехуровневой схеме, рассмотрим
лазер на кристалле рубина. На рис. 94 изображена схема уровней ионов
Сг3+, входящих в состав рубина (рубином называется кристалл AI2O3, в
котором часть ионов алюминия заменена ионами хрома). В качестве рабочих
переходов в рубиновом лазере используются переходы с уровней Е2г и Е2§ на
основной уровень. Уровни Е2г и Е2б метастабильны (их время жизни
несколько миллисекунд, в то время как для обычных оптических переходов г
" 10-8 с). В этом лазере, как и в других твердотельных лазерах, для
получения инверсной населенности уровней применяется оптическая накачка.
Для накачки используются широкие полосы поглощения Е% и Е4, одна из
которых расположена в зеленой, а другая - в синей части спектра. Ширины
полос очень велики - около 1 мкм. Переходы с этих полос на уровни Е2
происходят
1~В химических лазерах следует различать два коэффициента полезного
действия: химический и технический КПД. Химический КПД показывает, какая
часть энергии, которая выделяется в реакциях, создающих инверсивную
населенность уровней, преобразуется в энергию когерентного излучения.
Техническим КПД химических лазеров называется отношение энергии лазерного
излучения к потребляемой от электрической сети энергии; технический КПД
может превышать 100%.
§49. Устройство оптических квантовых генераторов 251
без излучения - энергия переходит в колебания решетки. Указанные переходы
намного вероятнее, чем спонтанный возврат атомов на уровень 1. Это
способствует быстрому созданию инверсной населенности уровней рабочего
перехода. Для лазеров применяют искусственно выращенные монокристаллы
рубина с небольшим (0,05%) содержанием хрома (бледно-розовая окраска).
Монокристаллам придается форма длинных стержней круглого сечения. В
небольших лазерах рубиновые стержни имеют около 1 см в диаметре и 10 см в
длину. На рис. 95 изображена схема одного из вариантов устройства
рубинового лазера. Для накачки используется спиральная лампа-вспышка,
окружающая рабочее тело лазера - цилиндрический рубиновый стержень. Для
уменьшения световых потерь лампа заключена в зеркальный кожух. На оба
торца рубинового стержня нанесен зеркальный слой1. После срабатывания
лампы-вспышки кристалл рубина становится оптически активным. Генерация
начинается самопроизвольно после того, как появится световой квант,
спонтанно излученный вдоль оси рубинового стержня. Распространяясь по
стержню, излучение усиливается - к исходному кванту присоединяются кванты
вынужденного излучения. Обратную связь осуществляют зеркала. Выражаясь на
радиотехническом языке, они возвращают ко входу системы (к рубиновому
кристаллу) сигнал (свет), возникающий на его выходе (покидающий
кристалл).
Рис. 94. Схема уровней Сг3+ в кристалле рубина.
И чм
а> о
<0
Кристалл
рубина
$ °
Рис. 95. Схема устройства лазера на рубине.
Зеркала могут быть и отнесены от концов рубинового стержня.
252
Глава 10
Дважды отражаясь от зеркал (один раз от правого, а другой - от левого),
световые кванты повторяют свой путь. Таким образом, зеркала "запирают"
