Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Сивухин Д.В. -> "Общий курс физики. Том 4. Оптика " -> 311

Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 4. Оптика — Оптика, 1980. — 752 c.
Скачать (прямая ссылка): obshkfopt1980.djvuСкачать (прямая ссылка): optika1980.djvu
Предыдущая << 1 .. 305 306 307 308 309 310 < 311 > 312 313 314 315 316 317 .. 331 >> Следующая


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.
Предыдущая << 1 .. 305 306 307 308 309 310 < 311 > 312 313 314 315 316 317 .. 331 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed