Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
7. Более быстрое включение и выключение об-Sг ратной связи производит-Рис, 349. ся с помощью оптическо-
го затвора — ячейки Керра с нитробензолом или ячейки Поккельса с анизотропным кристаллом (рис. 349). Ячейка вместе со своим конденсатором повернута вокруг оси установки на угол 45° (это на рис. 349 не показано). Поляризатор P (поляроид или поляризационная призма) ориентирован так, чтобы полностью пропускать линейно поляризованное излучение рубинового стержня, когда он генерирует. Перед включением лампы-вспышки на ячейку К подается такое напряжение, чтобы она поворачивала плоскость поляризации излучения лазера на угол 90®. Тогда свет через поляризатор P не пройдет, т. е. обратная связь будет выключена. В то время, когда лампа дает вспышку, происходит оптическая накачка рубинового стержня. Если затем быстро снять напряжение с конденсатора ячейки, то линейно поляризованное излучение рубина начнет свободно распространяться между зеркалами -S1 и Sa и возникнет мощный им-
:-:1? К
T 720 , _
ЛАЗЕРЫ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ГгЛ XI
пульс индуцированного излучения лазера длительностью порядка IO-8 с.
8. Большое распространение" в качестве оптических затворов получили также просветляющиеся фильтры, помещаемые вместо ячейки Керра или Поккельса. (Поляризатор Ё в этом случае не нужен.) Их действие основано на увеличении прозрачности вещества, когда интенсивность света становится достаточно большой, как это имеет место в случае излучения лазеров (см. § 89, пункт 6). При малой интенсивности света фильтр поглощает свет, почти полностью устраняя обратную связь. С увеличением заселенности верхнего уровня возникает слабая генерация рубинового стержня, несколько уменьшающая поглощение фильтра. Это приводит к усилению обратной связи и вызывает лавину лазерного излучения. Последняя по мере нарастания все более и более просветляет фильтр. Когда интенсивность излучения начнет уменьшаться, поглощение фильтра будет быстро возрастать, а обратная связь ослабляться. Поскольку вся система работает автоматически, лазер с просветляющимися фильтрами во время вспышки лампы накачки может генерировать серию импульсов, следующих друг за другом.
9. Быстрое включение обратной связи позволяет сократить длительность импульса лазерного излучения до Ю-7—IO"8 с. Так как энергия импульса, снимаемая с рубинового стержня длиной 20 см и диаметром 1,5 см, составляет 1—2 Дж, то при этом развивается мощность 10—200 МВт. Дальнейшее повышение мощности лазерного импульса может быть достигнуто путем усиления света в каскаде из нескольких последовательно расположенных лазеров. Первый лазер в таком каскаде должен служить генератором, остальные — усилителями света. Если мощность генерируемого импульса достаточно велика, то уже небольшой его части вблизи передового фронта достаточно, чтобы вызвать вынужденные переходы в невозбужденное состояние всех возбужденных атомов хрома в рубине усилителей. Это сокращает длительность импульса и повышает его мощность. Таким путем удалось получить гигантские импульсы света длительностью в 2-Ю"9 с при полной энергии импульса ^20 Дж. Это соответствует мощности ^lO4 МВт. Но и такая мощность еще не предел. Лазер с просветляющимся фильтром дает импульс длительностью ~10"8 с, состоящий из последовательности импульсов, длительность которых может составлять IO"11—IO'12 с. Выделение одного такого импульса с последующим усилением его позволяет достигнуть мощности ^lO7 МВт.
10. Из других твердых материалов, употребляемых в лазерах, надо упомянуть прежде всего неодимовое стекло и флюорит кальция (CaF4) с небольшой примесью атомов редкоземельных элементов: диспрозия (Dy), самария (Sm) и пр. Активность среды создается ионами неодима Ndm", диспрозия Dy+4", самария Sm4+ и т. д. Неодимовое стекло генерирует инфракрасное излучение с длиной волны § 1211
РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР
721
X — 1,06 мкм, а флюорит кальция с диспрозием — еще более длинноволновое излучение с X = 2,36 мкм. Стержни из неодимового стекла изготовить легче, чем из рубина. Стеклянные стержни могут достигать длины 0,5—1 м при диаметре до 5 см. Ширина полос у неодимового стекла больше^ чем у рубина, что позволяет получить больріий кпд. Зато у рубина более высокая прочность. При длительности импульса КГ8—10~9 с рубин выдерживает мощности (3—4)-IO3 МВт на каждый см3 поперечного сечения стержня, а неодимовое стекло — только (1-1,5)-108 МВт.
В отличие от рубинового лазера, работающего по трехуровневой схеме, лазер на флюорите кальция с примесью диспрозия работает по четырехуровневой схеме. Это позволяет создавать достаточно мощные лазеры, работающие не импульсами, а непрерывно, что для некоторых применений очень существенно. Между основным уровнем S1 диспрозия в кристалле и энергетической полосой Si расположены два промежуточных уровня S3 и S4 (рис. 350). Между ними и создается инверс-. ная заселенность атомов диспрозия. Лампа-вспышка переводит атомы диспрозия через широкую энергетическую полосу S2 на уровень S3. Уровень Si по энергии приподнят над уровнем S1 настолько высоко, что при температуре жидкого азота его заселенность Ni практически равна нулю. Поэтому нет необходимости переводить на уровень S3 больше половины атомов диспрозия. Достаточно лишь, чтобы разность заселенностей N3 — Ni уровней S3 и Si превысила пороговое значение. Оно составляет лишь небольшую долю атомов диспрозия. Достаточна сравнительно небольшая мощность лампы-накачки (»15—20 Вт), чтобы осуществить непрерывную работу лазера. Кроме того, непрерывная накачка позволяет генерировать гигантские импульсы с большой частотой повторения (до нескольких кГц). Мощности света, получаемые при этом в каждом импульсе, »1—2 МВт.
