Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
свет, образуя оптический резонатор, в нашем случае - интерферометр Фабри-
Перо. Дважды отраженный свет усиливает исходный, если он совпадает с ним
по фазе, т. е. если оптическая длина пути (удвоенная длина пути между
зеркалами, умноженная на коэффициент преломления) равна целому числу длин
волн. Поэтому генерация может возникнуть лишь при условии, если
выполняется соотношение
nl = гаА/2, (10.28)
где I - длина рубинового стержня, п - показатель преломления рубина, а т
- любое целое число. Многократно проходя через рубиновый кристалл,
световой поток экспоненциально усиливается (см. (10.25)). Одно (или оба)
из зеркал, образующих оптический резонатор, делают частично прозрачным.
Через него световые кванты выходят из установки, образуя лазерный луч.
Световой импульс продолжается, пока количество атомов на верхнем уровне
рабочего перехода не сравняется с их количеством на нижнем уровне. После
этого излучение прекращается и возобновляется лишь после новой накачки.
Найдем условие возникновения генерации. Оно состоит в том, чтобы полный
коэффициент усиления света к на замкнутом пути был больше единицы:
к = Г\Г2 ехр(2al) > 1, (10.29)
где г\ и Г2 - коэффициенты отражения зеркал, а величина а определена
равенством (10.26). Приравняв левую часть (10.29) к единице, можно
получить пороговое значение коэффициента усиления апор, а затем - с
помощью (10.26) - и необходимое для возникновения генерации соотношение
между п\ и П2. В коэффициент усиления входит усиление, возникающее при
прохождении сквозь рубиновый стержень, и потери на отражение от зеркал (в
том числе дифракционные потери, возникающие из-за конечного диаметра
зеркал). В лазерах применяют зеркала очень высокого качества. Если потери
света на пропускание являются неизбежными (в противном случае луч не
сможет выйти из лазера), то потери на поглощение желательно уменьшать. По
этой причине металлических зеркал стараются избегать и применяют зеркала
с диэлектрическим покрытием.
Лампы-вспышки создают длинный световой импульс, продолжающийся около
миллисекунды. Нарастание и прекращение лазерного импульса происходят
намного быстрее. Поэтому за время работы лам-пы-вспышки успевает
произойти множество быстро следующих друг за другом лазерных импульсов.
Эти импульсы могут заметно отличаться
§49. Устройство оптических квантовых генераторов 253
друг от друга не только по фазе, но и по амплитуде (из-за случайного
характера начала импульса). На рис. 96 изображена осциллограмма части
импульса рубинового лазера.
Рис. 96. Осциллограмма части импульса рубинового лазера.
В небольших рубиновых лазерах, имеющих объем несколько см3, за одно
срабатывание лампы-вспышки в лазерное излучение преобразуется несколько
джоулей. При полном времени импульса порядка 1 мс средняя световая
мощность составляет поэтому несколько киловатт. В лазерах с более
короткими импульсами она может быть существенно выше.
Рассмотрим теперь работу лазеров на неодимовом стекле (стекло,
активированное ионами Nd3+). Эти лазеры - из твердотельных - являются
самыми популярными. Они, в частности, применяются для создания мощных
оптических систем, способных накапливать, а затем освобождать энергию в
десятки и даже сотни килоджоулей. Схема уровней иона Nd3+ приведена на
рис. 97. Основным уровнем является уровень 4/д/2- При оптической накачке
ионы неодима переводятся в одно из состояний Е4. Из этих состояний они
без излучения переходят на метастабильный уровень Es(4F3/2) и
накапливаются на нем. Переходы с уровня Е%, в нижние состояния очень мало
вероятны из-за большого различия квантовых чисел L и J. Уровень
Е2(4111/2) близок к основному, но почти не населен, так как он отстоит от
основного на ЮкТ и связан с ним быстрым безызлучательным переходом,
обеспечивающим установление больцмановского равновесия. Инверсия
населенности между уровнями Е% и Е2 достигается поэтому существенно
раньше, чем между уровнями Е% и Е\, и рабочим переходом является переход
Е3 -> Е2 с А = 1,06 мкм. Таким образом, неодимовый лазер работает по
четырехуровневой схеме.
Конструкция источника света, изображенного на рис. 95, очень проста, но
не является наилучшей. Коэффициент полезного действия лазера
254
Глава 10
Рис. 97. Схема уровней Nd3+ в неодимовом стекле.
Рис. 98. Устройство лазера с несколькими источниками световой накачки: 1
- рубиновый или неодимовый стержень, 2 - лампы-вспышки, 3 - отражатель.
можно увеличить, помещая рубиновый стержень (или стержень из неодимового
стекла) в один из фокусов эллиптического отражателя, а источник света - в
другой фокус. Если источников света несколько, то применяют и более
сложные конструкции (рис. 98).
Из-за быстро наступающего перегрева лазеры на неодимовом стекле, как и
рубиновые лазеры, работают преимущественно в импульсном режиме. Однако
неодимовый лазер на иттрий-алюминиевом гранате1 (кристалл Y3AI5O12, в
котором часть ионов У3+ замещена ионами Nd3+) на небольшой мощности может
