Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
4. Рубин — одноосный кристалл. Обыкновенный и необыкновенный показатели преломления светло-красного рубина, употребляемого в лазерах, равны соответственно п0 = 1,7653 и пе = 1,7573 (для X = 656 нм). Рубиновый лазер может давать поляризованный свет без каких-либо специальных поляризационных приспособлений. Для этого оптическая ось рубинового стержня не должна совпадать с его геометрической осью. Возникновение линейной поляризации нельзя объяснить различием коэффициентов отражения обыкновенного и необыкновенного лучей, так как разность п0 — пе слишком мала. Поляризация возникает потому, что в обыкновенной волне направления волновой нормали и луча совпадают между собой, а в необыкновенной не совпадают. Чтобы зеркала лазера действовали эффективно, как резонатор, необходимо, чтобы волновые нормали были к ним перпендикулярны. Но тогда в рубине только обыкновенный луч будет распространиться параллельно геометрической оси стержня, а необыкновенный^пойдет под углом к ней, попадая на боковую, поверхность стержня*. Поэтому резона- 718 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
тор будет эффективнее усиливать обыкновенные лучи, чем необыкновенные. Из лазера будут преимущественно выходить обыкновенные лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен к оптической и геометрической осям кристалла. Если эти оси совпадают, то поляризация не возникает. Если же, как показали наблюдения, угол между ними заключен в пределах от 60 до 90°, то линейная поляризация полная.
5. Наиболее распространенным является импульсный режим работы рубинового лазера. Лампа-вспышка дает импульс света длительностью ^lO"3 с. Длительность когерентного импульса, излучаемого лазером, несколько короче. Это связано, во-первых, с тем, что требуется некоторое время, чтобы заселенность уровня S2 достигла порогового значения, после чего лазер начинает генерировать. Во-вторых, с тем, что генерация лазера прекращается, когда интенсивность вспышки лампы понижается настолько, что ее становится уже недостаточно для поддержания заселенности выше пороговой. Сам лазерный импульс имеет сложную структуру и состоит из множества отдельных импульсов длительностью до IO"6 с, следующих друг за другом с интервалом ^3-10"6—IO"5 с. Мощность рубинового лазера в импульсе может достигать десятков кВт при длине стержня в 20—30 см и диаметре 1,5 см.
Эта мощность может быть повышена до нескольких десятков мегаватт за счет уменьшения длительности генерируемого импульса. Для этого на уровень S2 надо перевести не половину, а большую часть атомов хрома, оставив уровень Sx практически незаполненным. Тогда при длине рубинового стержня 10—20 см импульс генерируемого света, как показывает расчет, может развиться за время ^lO-8 с. Лампа-вспышка легко могла бы произвести такой переход, если бы в рубине не возникала генерация, возвращающая атомы хрома снова на" исходный уровень S1. А генерация начинается сразу же, как только заселенность уровня S2 станет выше пороговой. Задачу можно решить, если на короткое время выключить обратную связь, осуществляемую зеркалами. За это время можно перевести все атомы хрома на возбужденный уровень S2. При выключенных зеркалах среднее время жизни атома хрома на уровне S2 составляет около 0,002 с. Если в течение этого времени на мгновение снова включить зеркала, то происходит почти мгновенный вынужденный переход атомов на невозбужденный уровень S1 и связанная с ним мощная вспышка лазерного излучения.
6. Быстрое включение и выключение обратной связи, а также вообще изменение добротности резонатора можно осуществить, заменив одно из зеркал призмой P полного отражения (рис. 348), вращающейся с угловой скоростью ~500 об/с. Лазер может генерировать только в положении призмы, изображенном на рис. 348, или очень близкой к нему. Во всех остальных положениях обратной связи нет и лазер не генерирует. В это время происходит опти- § 1211
РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
719
ческая накачка рубинового стержня R. Когда призма займет положение, указанное на рис. 348, происходит излучение мощного лазерного импульса. Хотя при этом призма и продолжает быстро вращаться, но за короткое время ~10~8 с, требующееся для развития лазерного имцульса, она не успевает сколько-нибудь заметно сместиться из указанного положения. После высвечивания запасенной энергии при дальнейшем вращении призмы снова начинается оптическая накачка, пока при повороте на 360° не произойдет излучение нового лазерного импульса. Однако при прохождении че- Рис, 348.
рез стержень мощного импульса выключение призмы не всегда достаточно для прекращения действия обратной связи, так как она может сохраняться из-за отражения света от концов рубинового стержня (в случае рубина коэффициент отражения (п—l)2/(« + I)2 »7,6%). Во избежание этого концы рубинового стержня делают скошенными под углом к его геометрической оси. Обычно угол падения берут равным углу Брюстера (на границе рубин — воздух q>B «30°). Тогда
генерируется линейно поляризованный свет, электрический вектор которого лежит в плоскости падения.
