Квантовые генераторы

     В газовых лазерах обычно используются смеси двух или нескольких газов. 
 

     3.2.1 Генераторы с твердым активным веществом 

Наиболее широко распространенным типом генератора оптического диапазона являются генераторы, в которых в качестве активного  вещества   используется   рубин  с   примесью   хрома   (0,05%). На рисунке 6 приведена упрощенная схема расположения энергетических уровней ионов хрома в рубине. Полосы поглощения, на которых необходимо осуществлять подкачку (возбуждение), соответствуют зеленой и синей части спектра (длина волны 5600 и 4100Å). Обычно подкачка осуществляется с помощью газоразрядной ксеноновой лампы, спектр излучения которой близок к солнечному. Ионы хрома, поглощая фотоны зеленого и синего света, с уровня I переходят на уровни III и IV. Часть возбужденных ионов с этих уровней возвращается в основное состояние (на уровень I), а большая часть переходит без излучения энергии на метастабильный уровень   П    увеличивая  населенность  последнего. Ионы хрома, перешедшие на II уровень, длительное время остаются в этом возбужденном состоянии. Поэтому на втором уровне

можно накопить большее количество активных частиц, чем на уровне I. Когда населенность уровня II превысит населенность уровня I, вещество способно усиливать электромагнитные колебания на частоте перехода II—I. Если вещество помещено в резонатор, становится возможным генерирование когерентных, монохроматических колебаний в красной части видимого спектра (λ = 6943 Å). Роль резонатора в оптическом   диапазоне выполняют параллельные друг другу отражающие поверхности.

      

Рисунок 6. Энергетические уровни ионов хрома в рубине 

1. полосы  поглощения при оптической накачке
2. безызлучательные переходы
3. метастабильный уровень

 

   Процесс самовозбуждения лазера качественно  протекает так же, как и в  молекулярном генераторе. Некоторая  часть возбужденных ионов хрома  самопроизвольно (спонтанно) переходит  на уровень I, излучая при этом фотоны. Фотоны, которые распространяются перпендикулярно к отражающим поверхностям, испытывают многократные отражения и многократно проходят через активную среду и усиливаются в ней. Происходит нарастание интенсивности колебаний до стационарной величины.

В импульсном режиме огибающая импульса излучения  рубинового генератора носит характер кратковременных вспышек длительностью порядка десятых долей микросекунды и с периодом порядка единиц микросекунд (рис. 7, в).

Релаксационный (прерывистый) характер излучения генератора объясняется различными скоростями поступления ионов на уровень II за счет подкачки и уменьшения их числа при индуцированых переходах с уровня   II   на  уровень I.

     На рисунке 7 приведены осциллограммы, качественно поясняющие процесс

генерирования в лазере на рубине. Под воздействием излучения накачки (рис. 7,  а) происходит накопление возбужденных ионов на уровне II. Через некоторое время   населенность N₂ превысит пороговую величину и станет возможным самовозбуждение генератора. В период когерентного излучения пополнение ионами уровня II за счет подкачки отстает от расхода их в результате индуцированных переходов и населенность уровня II уменьшается. Излучение при этом или резко ослабевает, или даже прекращается (как в данном случае) до тех пор, пока за счет подкачки не произойдет обогащение уровня II до величины, превышающей пороговую (рис.7, б), и вновь станет возможным возбуждение колебаний. В   результате  рассмотренного  процесса  на  выходе  лазера  будет наблюдаться серия кратковременных вспышек (рис. 7, в). 
 

Рисунок 7. Осциллограммы, поясняющие работу рубинового лазера:

                              а) мощность источника  подкачки

                              б) населенность уровня II

                              в) мощность на выходе генератора 
 
 
 
 
 

Кроме рубина в  генераторах оптического диапазона  применяются и другие вещества, например кристалл вольфрамата кальция и  стекла,   активированные   неодимом.

     Упрощенная  структура энергетических уровней  ионов неодима в кристалле  вольфрамата кальция изображена на рисунке 8.

     Под действием света лампы подкачки ионы с уровня I переводятся в возбужденные состояния, обозначенные на диаграмме III. Затем они без излучения переходят на уровень П. Уровень II является метастабильным, и на нем происходит накопление возбужденных ионов. Когерентное излучение в инфракрасном диапазоне с длиной волны λ=1,06 мк возникает при переходе ионов с уровня II на уровень IV. Переход с уровня IV в основное состояние ионы совершают без излучения. То обстоятельство, что излучение возникает

при переходе ионов на уровень IV, лежащий выше основного, существенно

облегчает возбуждение генератора. Населенность уровня IV значительно меньше, чем уровня П [это следует из формулы 1] и  таким образом, для достижения порога возбуждения на II уровень нужно перевести меньшее число ионов, и следовательно затратить меньшую энергию подкачки. 
 

 

Рисунок 8. Упрощенная структура уровней ионов неодима в вольфрамате кальция (CaWO₄) 
 
 

     Аналогичную диаграмму энергетических уровней  имеет также и стекло, активированное неодимом. Лазеры  с использованием  активированного стекла излучают на той же длине волны  λ= 1,06мк.

      Активные  твердые вещества выполняются в виде длинных круглых (реже - прямоугольных) стержней торцы которых тщательно полируются и на них наносятся отражающие покрытия в виде специальных диэлектрических   многослойных   пленок. Плоскопараллельные торцовые стенки образуют резонатор, в котором устанавливается  режим   многократного отражения   излучаемых колебаний(близкий к режиму стоячих волн), способствующий усилению индуцированного излучения и обеспечивающий его когерентность. Резонатор может образован также и внешними зеркалами.

        Многослойные диэлектрические  зеркала обладают малым собственным  поглощением и позволяют получить наиболее высокую добротность резонатора. По сравнению с металлическими зеркалами, образованными тонким слоем серебра  или другого металла, многослойные диэлектрические зеркала в изготовлении значительно сложнее, но намного превосходят их по стойкости. Металлические зеркала выходят из строя после нескольких вспышек, и поэтому в современных моделях лазеров их не используют.

  В первых моделях лазеров в качестве источника подкачки использовались импульсные ксеноновые лампы спиральной формы. Внутри лампы располагался стержень активного вещества.

        Серьезным недостатком  такой конструкции генератора является низкий коэффициент использования  световой энергии источника подкачки. С целью устранения этого недостатка в генераторах используется фокусировка световой энергии источника подкачки с помощью специальных линз или рефлекторов. Второй способ более простой. Рефлектор выполняется обычно в виде эллиптического цилиндра.

        На рисунке 9 изображена схема рубинового генератора. Лампа для подсветки, работающая в импульсном режиме, располагается внутри эллиптического рефлектора, осуществляющего фокусировку света лампы на рубиновом стержне. Лампа питается от высоковольтного выпрямителя. В интервалах между импульсами энергия высоковольтного источника накапливается в конденсаторе емкостью около 400 мкф. В момент подачи пускового поджигающего импульса напряжением 15 кВ, снимаемого со вторичной обмотки повышающего трансформатора, лампа загорается и продолжает гореть, пока не израсходуется энергия, накопленная в конденсаторе высоковольтного выпрямителя.

      Для увеличения мощности подкачки вокруг рубинового стержня может быть установлено  несколько ксеноновых ламп, свет которых  с помощью рефлекторов концентрируется  на рубиновый стержень.

  Для приведенного на рис. 23.10 генератора пороговая энергия подкачки, т. е. энергия, при которой начинается генерация, составляет около 150 Дж. При указанной на схеме емкости накопителя С = 400 мкф такая энергия обеспечивается при напряжении источника порядка 900 В.

  

Рисунок 9. Рубиновый генератор с эллиптическим рефлектором для фокусировки света лампы подкачки:

1. рефлектор
2. спираль поджига
3. ксеноновая лампа
4. рубин

 
 

  Вследствие  того , что спектр источников подкачки много шире полезной полосы поглощения кристалла, энергия источника подкачки используется весьма слабо и поэтому приходится значительно повышать мощность источника, чтобы обеспечить достаточную для генерации мощность подкачки в узкой полосе поглощения. Естественно, что это приводит к сильному повышению температуры кристалла. Для предотвращения перегрева можно использовать фильтры, полоса пропускания которых приблизительно совпадает с полосой поглощения активного вещества, или применить систему принудительного охлаждения кристалла, например, с помощью жидкого азота.

        Неэффективное использование  энергии подкачки является основной причиной относительно низкого к. п. д. лазеров. Генераторы на рубине в импульсном режиме позволяют получить к. п. д. порядка 1%,  генераторы на стекле — до 3—5%.

     Лазеры  на рубине работают преимущественно  в импульсном режиме. Переход в непрерывный режим ограничивается возникающим при этом перегревом кристалла рубина и источников подкачки, а также  прогоранием зеркал.

  В настоящее время ведутся исследования лазеров с использованием полупроводниковых  материалов. В качестве активного  элемента в них используется полупроводниковый диод из арсенида галлия, возбуждение (накачка) которого осуществляется не световой энергией, а током большой плотности, пропускаемым через диод.

  Устройство  активного элемента лазера весьма просто (см. рисунок 10) Он состоит из двух половин полупроводникового материала р- и n-типа. Нижняя половина из материала n-типа отделяется от верхней из материала p-типа плоскостью р-n перехода. Каждая из пластин снабжена контактом для подключения диода к источнику подкачки, в качестве которого используется источник постоянного тока. Торцовые грани диода, строго параллельные и тщательно отполированные, образуют резонатор, настроенный на частоту генерируемых колебаний, соответствующих длине волны 8400 Å. Размеры диода составляют 0,1 х 0,1 х 1,25 мм. Диод помещается в криостат с жидким азотом или гелием и через него пропускается ток накачки, плотность которого в р-n переходе достигает значений 10⁴—10⁶ а/см² При этом происходит излучение когерентных колебаний инфракрасного диапазона с длиной волны λ = 8400Å.

  

Рисунок 10. Устройство активного элемента лазера на полупроводниковом диоде.

1. отполированные грани
2. контакт
3. плоскость p-n перехода
4. контакт

 

  Излучение квантов энергии в полупроводнике возможно при переходе электронов из зоны проводимости на свободные уровни в валентной зоне — с более высоких энергетических уровней на низшие. При этом «исчезают» два носителя тока — электрон и дырка.

  При поглощении кванта энергии электрон из валентной зоны переходит в  зону проводимости и образуются два носителя тока.

  Для того чтобы возможно было усиление (а также генерирование) колебаний, нужно, чтобы количество переходов  с выделением энергии преобладало  над переходами с поглощением  энергии. Это достигается в полупроводниковом диоде с сильнолегированными р- и n-областями при приложении к нему прямого напряжения, как указано на рисунке 10. При смещении перехода в прямом направлении электроны из n-области диффундируют в p-область. За счет этих электронов резко увеличивается населенность зоны проводимости р-проводника, и она может превышать концентрацию электронов в валентной зоне.