|
| |
|
Слаботочка Книги таллическую, металлокерамическую) с прозрачным световыводящим окном в торце. В трубке имеются электроды для возбуждения газового разряда (наибольшая долговечность и стабильность достигается при использовании холодного алюминиевого катода), зеркала резонатора закрепляются на торцах активного элемента, внутреннщ1 объем заполнен газовой смесью Не-Ne при давлении 1... 5 мм рт. ст., причем массовая доля гелия в смеси в 5... 10 раз больше, чем неона. Механизм возбуждения активной среды и возникновения стимулированного излучения может быть отнесен к модифицированной четырехуровневой схеме (рис. 5.7). При зажигании тлеющего газового разряда образующиеся свободные электроны, сталкиваясь с атомами Не, переводят часть из них в метастабильные состояния so и s *. Затем при соударениях разнородных атомов происходит передача полученной энергии от атома Не атому Ne и возбуждение последнего на уровни 2s и 3s. Принципиальная особенность гелий-неоновой смеси состоит в практическом совпадении пар уровней so-5-3s я si->-2s, поэтому .имеет место резонансная передача энергии от атомов Не атомам Ne, характеризующаяся высокой вероятностью и малостью потерь. Одновременно с этим соударения со свободными электронами вызывают возбуждение всех уровней атома Ne (Is, 2s, 3s, 2p, 3p), однако интенсивность этих переходов из-за большого различия концентраций Не и Ne намного меньше, чем резонансного возбуждения 5o->-3s и Si->-2s. Кроме заброса электронов в атомах Не и Ne «вверх» идут и процессы их спонтанного перехода вниз, при этом оказывается, что вероятности переходов 3s-j-Is и 2s->-l5 намного меньше, чем 3p-vls и 2p->-ls. Спонтанные переходы с уровня Is в равновесное состояние происходят вследствие соударе-  Рис. 5.7. Упрощенная схема энергет.д-ческих уровней и основные квантовые переходы в гелий-неоновой системе (= индуцированные переходы) Рис. 5.8. Упрощенная схема энергетических уровней и основные квантовые переходы в иттриево-алюминиевом гранате, активированном ионами неодима (=4 индуцированные переходы) 1,31 Х1,0Бтм -"1 15/г "1 13/2 * Принцип обозначения уровней-общепринятый в квантовой механике - не поясняется, так как для дальнейшего изложения это неважно. 150 нии атомов Ne со стенками трубки и при оптимальной конструкции лазера могут совершаться достаточно быстро. Таким образом, одновременное протекание всех описанных процессов приводит к интенсивному заселению электронами уровней 3s и 2s (через Sq и s, атомов Не) на фоне почти незанятых уровней Зр, 2р, Is - так осуществляется инверсия иаселенностей. Вынужденные переходы 3s->-2p, 2s2p, 3s3p и обусловливают лазерную генерацию на длинах волн 0,633; 1,15 и 3,39 мкм соответственно. Подавляя с помощью резонатора два из трех переходов, получают одночастотные Не-Ne-лазеры. Заметим, что проведенное рассмотрение является схематичным и приближенным: фактически вместо каждого из представленных на рис. 5.7 дискретных уровней имеется набор близко расположенных уровней, поэтому спектры излучения Не-Ne-лазеров содержат большое число близко расположенных линий. Из описанного механизма следует ряд характерных особенностей Не-Ne-лазеров. Во-первых, это низкий КПД преобразования энергии, обусловленный прежде всего очень неэкономичным возбуждением атомов Не; полезно .используется не более 5% энергии электронов газовой плазмы. Во-вторых, это невысокая мощность излучения: попытка повысить объем активной среды путем увеличения диаметра трубки ведет к уменьшению вероятности соударений атомов Ne со стенками, замедлению «очищения» уровня Is (а через него - уровней 2р, Зр) и к резкому снижению интенсивности вынужденных переходов. В-третьих, это исключительно узкая ширина полосы генерации, обусловленная разреженностью газа и отсутствием взаимодействия отдельных излучающих атомов. Параметры типичного Не-Ne-лазера с трубкой длиной 30... 40 см и диаметром в несколько сантиметров следующие: Риз.п«=1 ... Ю мВт, КПД 0,1 ...0,5%, АУЛмакс = 10~... 10-8 (до 10-12 у отдельных образцов), а =а =0,1 ... 0,5%, диаметр луча 0,3 ... 2 мм. Существенным недостатком газовых лазеров является высокое напряжение возбуждения (около I кВ при горении и до 10 кВ при возбугкдении разряда); вследствие этого габаритные размеры источника питания в несколько раз больше, чем активного элемента, а общая их масса составляет обычно несколько килограмм. Попытки миниатюризации этих лазеров приводят к заключению, что вряд ли их длина может быть намного меньше 10 см - это обусловлено малым значением коэффициента усиления разреженных газов. Кроме гелий-неоновых лазеров определенный интерес для оптоэлектроники (главным стразом, для оптических ЗУ) представляют также газовые лазеры с аргоновым (Лизл=0,488 и 0,515 мкм), криптоновым (Хизл=0,568 мкм), гелий-кадмиевым (?изл = 0,442 мкм) наполнением, однако они отличаются еще большей громоздкостью и высокой стоимостью. Для сверхдальних ВОЛС возможно в будущем и применение СОг-лазеров (KsnlOfi мкм), КПД которых достигает десятков процентов. Твердотельные лазеры. К этой группе относятся лазеры, активной средой которых являются твердотельные диэлектрики (кристаллические или аморфные), активированные люминесцирующими примесями (обычно ионами переходных металлов). Для целей оптоэлектроники наибольший интерес представляет лазер на кристаллах иттрий-алюминиевого граната, в решетке которого часть атомов иттрия (1... 3%) замещена ионами неодима y3ai5o12: Nd* (сокращенно YAG : Nd, ИАГ : Nd или АИГ : Nd). Основу такого лазера составляют стержень активного вещества длиной 10 см и более с зеркалами на торцах и расположенная параллельно ему дуговая криптоновая лампа такой же стержневидной формы - в лазерах используется оптическая накачка. Оба элемента помещ-ются внутрь светособирающей системы, предназначенной для равномерного распределения оптической знергии на всей длине ИАГ : Nd-стержня. Схема квантовых переходов (рис. 5.8) относится к типичной четырехуровневой системе. При возбуждении оптическим излучением достаточно широкого спектра электроны забрасываются на уровни g7/2, Ог/г, 7/2, Fb/z, з.2 и другие близкие к ним, а затем достаточно быстро спонтанно переходят на метаста-бильный уровень Fg/j. Нижний рабочий уровень (/п./г «ли /13/2) оптически не возбуждается, а тепловой заброс электронов на него с нулевого уровня /9/2 ничтожен, поэтому условие инверсии населенностей выполняется легко. Большая часть запасенной энергии электронов (около 60%) выделяется в вынужденном переходе s./2-*/ii./2 (Лнзп«1,06 мкм), при подавлении этой генерации можно сделать определяющими вынужденные переходы з.2-/1з./2 (А,11зл«1,32 мкм). Каждый из представленных на рис. 5.8 уровней фактически представляет собой группу близко расположенных уровней, поэтому спектры поглощения (возбуждения) и излучения характеризуются тонкой структурой. Максимумы спектра поглощения соответствуют 0,5£; 0,56; 0,60; 0,75; 0,81; 0,87 мкм; при излучении на ?ч,1зл«1,06 мкм фактически генерируются семь отдельных линий; 1,0521; 1,0615; 1,0642; 1,0737; 1,1119; 1,1158; 1,1225 мкм, причем наиболее интенсивными являются вторая и третья. Иттриево-алюминиевый гранат выгодно отличается от других активных сред твердотельных лазеров (таких, например, как рубин или неодимовое стекло) выс"кими прочностью и теплопроводностью, температурной и радиационной стабильностью, однородностью оптико-физических характеристик, наибольшим значением коэффициента усиления. По сравнению с газовыми лазерами твердотельные имеют приблизительно на порядок выше КПД (из-за большей эффективности оптической накачки), существенно большую выходную мощность (единицы ватт и более), но в то же вре.мя худшую когерентность (А?1,Дмакс = 10-... 10-). Сопряжение с ИАГ-ла-зером нелинейно-оптического преобразователя частоты позволяет получить значительную мощность (см. § 3.2) на второй (>w,i3n«0,53 мкм) и четвертой (Х„злк=0,26 мкм) гармониках, т. е. продвинуться в коротковолновый диапазон. Миниатюризация твердотельных лазеров основывается на двух конструктивных усовершенствованиях. Во-первых, зто замена криптоновой лампы GaAlAs-светодиодом (или линейкой светодиодов), согласованным с основной полосой поглощения неодима (0,81 мкм). Накачка может осуществляться как сбоку, так н с торца стержня. Габаритные размеры лазера могут быть снижены до 10 мм, однако при этом уменьщается выходная мощность и увеличивается угловаи расходимость луча. Второе изменение касается самого активного стержня - традиционная ИАГ: Nd-среда заменяется на вещества с большей концентрацией ионов неодима. Так, использование тетрафосфата лития-неодима Ndj:Lii xP40i2, пентафосфата неодима-лантана NdiLai-iPsOu или гексалюми-ната лантана-неодима магния Lai-xNdxMgAlnOis позволяет увеличить концентрацию неодима в 10... 30 раз и тем самым снизить длину стержня до 1 мм, а пороговую мощность накачки - до десятых долей милливатта. Однако многолетние исследования таких структур со «100%-ным возбуждением» не дали 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 [49] 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |