Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
2. Инверсная заселенность создается между уровнями S1 и S2. Для этого используется так называемая оптическая накачка, т. е. освещение кристалла рубина мощной вспышкой света. Рубину придают форму цилиндрического стержня с диаметром 0,1—2 см и длиной от 2 до 20 см и больше. Концы стержня тщательно отполированы. Они могут служить зеркалами. Тогда их серебрят, как показано на рис. 345, а. Зеркала могут быть и внешними (рис. 345, б), тогда серебрение не нужно. Для освещения рубинового стержня
!) Для лазеров монокристаллы рубина выращивают искусственно. Смесь Al2O3 и Cr2O3 в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл рубина, верхняя кромка которого находится в кислородно-водородном пламени горелки с температурой 2050 °С, достаточной для плавления рубина. При медленном опускании кристалла расплавленный слой смеси выходит из пламени и кристаллизуется. Таким путем удается получать монокристаллы рубина в виде стержней длиной до O1S м и диаметром до 5 см.
і'
Рис. 346.716 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
Рис. 347.
применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов (напряжение 2—3 кВ). Длительность вспышки порядка одной миллисекунды. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня (рис. 347). Она может быть и прямолинейной. Тогда применяют зеркальные осветители, имеющие форму эллиптических цилиндров с внутренними отражающими поверхностями. Лампа-вспышка располагается вдоль одной
из фокальных линий цилиндра; отраженный свет концентрируется на рубиновом стержне, помещаемом вдоль другой фокальной линии.
Если бы энергетический спектр состоял только из двух уровней E1 и E2, то с помощью оптической накачки создать инверсную заселенность их было бы невозможно. Действительно, как видно из (119.2), индуцированные переходы атомов с нижнего уровня на верхний и обратно идут с одинаковыми скоростями. Поэтому лампа-вспышка самое большее могла бы лишь уравнять населенности обоих уровней. Наличие же спонтанного излучения приводило бы к обеднению (атомами) верхнего уровня по сравнению с нижним.
Положение меняется благодаря наличию третьего, широкого энергетического уровня, состоящего из полос E3 и Ei. Лампа-вспышка переводит атомы хрома из невозбужденного состояния в возбужденное, т. е. в энергетические полосы E3 и E4. Значитель-' ная ширина этих полос имеет большое практическое значение. Лампа-вспышка излучает свет, близкий к белому. Если бы уровни E3 и E4 были очень узкими, то лишь ничтожная часть энергии лампы-вспышки могла бы быть использована на их возбуждение. Благодаря же значительной ширине полос E3 и E4 на их возбуждение уходит 10—15% лучистой энергии лампы-вспышки. На уровнях E3 и E4 возбужденные атомы хрома живут очень короткое время (^lO-8 с). За это время они переходят на один из уровней E2. При таком переходе атомы хрома не излучают, а расходуют свою энер гию на возбуждение колебаний кристаллической решетки. Воз можность обратного возвращения атома из полос E3 и E4 на уро вень E1, хотя и существует, но вероятность такого процесса пре небрежимо мала по сравнению с вероятностью перехода на уровни E2 Уровни'Eг метастабильны. Время жизни атома на них ^lO"3 с что по атомным масштабам очень велико. Это позволяет накапли вать атомы на уровнях E2. Если переводить атомы с уровня E1 на уровни Ea и E4 достаточно быстро, то на уровни E2 можно перевести больше половины атомов хрома. Тогда на уровнях Ег§ 1211
рубиновый лазер
717
окажется больше атомов, чем на уровне S1, т. е. возникнет инверсная заселенность этих уровней.
3. Подсчитаем мощность лампы-вспышки, необходимую для создания инверсной заселенности уровней S1 и S2- Средняя длина волны, излучаемая при переходе из полос S3 и Si на уровень S1, порядка 450 нм. Поэтому для перевода одного атома хрома с уровня S1 на уровни S3 и Sa требуется в среднем энергия /iv = hc/X я»
4,4 • Ю-12 эрг. В рубине, обычно употребляемом для лазеров, на каждый см3 приходится около IO19 атомов хрома. Не менее половины из них надо перевести в полосы S3 и Si. На это требуется • энергия s»2,2 -IO7 эрг = 2,2 Дж. Атомы должны быть переведены на возбужденные уровни S3 и Si за время, не превышающее времени жизни атома хрома на уровне S2 2-Ю"3 с). В противном случае инверсная заселенность получиться не может. Таким образом, минимальная мощность, идущая на возбуждение атомов, должна быть порядка 2,2/10"3 = 2200 Вт/см3 = 2,2 кВт'см3. Если коэффициент использования лучистой энергии лампы принять равным 10—15%, то потребляемая мощность лампы должна быть ^20 кВт/см3. Длй рубинового стержня с объемом 10 см3 получится ^200 кВт. Это достигается сравнительно легко. Нетрудно подсчитать, что при напряжении 2000 В емкость батареи конденсаторов должна быть не меньше 100 мкФ. Обычно употребляются батареи с емкостью ^l000 мкФ.
Значительная доля лучистой энергии (более Е0%), поглощенной рубиновым стержнем, тратится на его нагревание. Но при температурах, превышающих примерно 1000 К, рубиновый лазер перестает генерировать. Поэтому в некоторых конструкциях лазеров предусмотрено охлаждение рубина проточной водой и даже жидким азотом.