книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

однако, что, поскольку начальная населенность уровня ЧРи очень мала, инверсия населенностей в четырехуров­ невых материалах достигается обычно легче, чем в трехуровневых. Наконец, важно отметить также, что

статочно велика, то лазерный процесс в такой системе может прекратиться из-за насыщения лазерного уровня. Дело в том, что при работе лазера излучение на частоте

дать, интенсивный электрический разряд в газе нарушает условия равновесия и вызывает инверсию населенностей в ансамбле. Действительно, лазерный процесс наблюдает­ ся буквально на сотнях переходов между энергетическими уровнями, заселенными в результате действия электриче­ ского разряда в газах. Во многих случаях инверсия населенностей достигается непосредственно при установ­ лении разряда в выбранном газе. В других же случаях оказалось нужным использовать некоторый буферный газ, который сам не дает лазерного излучения, но способствует процессу накачки в рабочем газе. Иллюстрацией такого процесса накачки служит схема, приведенная на фиг. 6. Здесь электрический разряд происходит в смеси двух газов, например гелия и неона, и гелий используется в качестве буферного газа, а неон с относительно низкой концентрацией — в качестве рабочего газа. Соударения между буферными атомами и электронами вызывают на­ растание населенности уровня №3 буферного газа. Эти возбужденные атомы буферного газа соударяются с ла­ зерно-активными атомами, находящимися на основном уровне, а так как уровни №3 обоих газов расположены очень близко друг к другу (резонансные уровни), энергети­ ческий переход от буферного атома к лазерно-активному имеет сравнительно большое поперечное сечение. В атоме рабочего газа затем быстро осуществляется переход на метастабильный уровень являющийся верхним лазер-

ным уровнем. Как и в ранее рассмотренных случаях, инверсия населенностей достигается, если возрастание населенности уровня №2 происходит достаточно быстро по сравнению со спонтанным уменьшением населенности

Переход при столкновениях

«3

Щ

Накачка.III*

Мл

Фи г . 6. Накачка через соударения при электрическом раз­ ряде в смеси двух газов.

а — буферный газ; б — газ, генерирующий когерентное излучение в оптическом диапазоне.

этого уровня и если электрический разряд не увеличи­ вает с такой же или еще большей скоростью населен­ ность уровня \Ъ\.

III. Квантовые приборы

Теперь мы рассмотрим некоторые характеристики лазера как прибора. Так как лазеры в первую очередь используются в генераторном режиме, они обычно содер­ жат усиливающую среду в структуре с положительной обратной связью или в оптическом резонаторе. На фиг. 7 показаны схематически две возможные конфигурации ла­ зера. В обоих случаях активная среда имеет форму ци-

линдра, у которого > 1 . В твердотельном лазере торцы лазерного стержня плоскопараллельны друг другу и хорошо отполированы. В газовом лазере газоразрядная трубка закрыта на концах, но в ней имеются два плоских

Отражающий экран

Зеркала 1

Ф и г. 7. Схематическое изображение типичных лазеров: твердотельного [стержень из рубина или стекла с неодимом]

(а) и газового (б).

окошка, расположенных под углом Брюстера. В каждом из этих лазеров особое внимание уделяется вопросу мак­ симального снижения оптических потерь и, следователь­ но, повышению к. п. д. Наконец, в обоих лазерах опти­ ческий резонатор образован двумя параллельными з »р- калами, ось которых совпадает с осью цилиндра. Одно из зеркал имеет очень высокий коэффициент отражения, а другое частично пропускает оптический луч из резона­ тора.

Чтобы описанная система генерировала когерентное излучение, только условия ц > 0 недостаточно. Нужно, кроме того, чтобы величина т] превышала некоторый по­ ложительный минимум, или пороговое значение. Это по­ роговое значение г)г определяется потерями в оптическом резонаторе лазера. Чтобы количественно оценить этот порог, допустим, что на схеме фиг. 7 коэффициент отра­ жения зеркала 2 = 1. Пусть далее коэффициент отра­ жения /?х соответствует плоскости выходной апертуры резонатора (зеркало /). Предположим, что, кроме по­ стоянной затухания а т , связанной с лазерно-активными ионами, данная система имеет дополнительную постоян­ ную затухания а,. Считают, что эта вторая постоянная обусловлена потерями на дифракцию и на неактивное поглощение в резонаторе. Тогда постоянная затухания, обусловленная только потерями на прохождение, у зер­ кала 1 будет

а = ат + а 1.

Пусть теперь излучение с интенсивностью /0 внутри ре­ зонатора в области зеркала 1 движется справа налево. Тогда интенсивность этого потока излучения вблизи зеркала 2 будет иметь вид

После отражения от зеркала 2 интенсивность по-прежне­ му остается 1Ъ и поэтому интенсивность потока, движу­ щегося слева направо вблизи зеркала /, будет равна

Объединяя (45) и (46), находим, что условие

является обязательным для установившегося режима. Значение г|, удовлетворяющее уравнению (47), и есть так называемый порог т)г:

рога генерации накачка должна быть достаточно интен­ сивной, в противном случае прибор не будет генерировать.

А. Моды колебаний в лазерном резонаторе и явление «прожигания дырок». В приведенном выше анализе мы не учитывали, что лазерный резонатор, состоящий из двух плоских зеркал, является сильно вырожденной си­ стемой в том смысле, что в нем может существовать мно­ жество мод колебаний. Рассмотрим, например, только те моды, у которых поле представляет собой плоские волны, распространяющиеся вдоль длинной оси резонатора. Тогда в резонаторе с оптической длиной Ь в пределах частот­ ного интервала ДV могут существовать моды общим чис­

Ь = 0,3 ж, а ширина линии флуоресценции материала равна 4-1011 гц, то выходной сигнал лазера может пред­ ставлять собой суперпозицию приблизительно 800 мод этого типа. Такая ситуация характерна для твердотель­ ных лазеров, однако при использовании лазерных стерж­ ней очень высокого оптического качества и при соблю­ дении особых мер предосторожности можно наблюдать автоколебания только на одной моде или на очень малом числе мод. В газовых лазерах картина несколько иная. Ширина спектральной линии составляет в этих приборах <-^109 гц, а оптическая длина их обычно доходит до 1 ж.

Таким образом, выходной сигнал газовых лазеров обыч­

применяют различные методы, направленные на одномо­ довое возбуждение резонатора лазера. Однако повышение выхода достигается только в тех лазерах, которые рабо­ тают на однородно уширяющихся линиях флуоресцен­ ции. Если же спектральная линия имеет неоднородное уширение, то выходной уровень отдельной моды огра­ ничивается так называемым явлением «прожигания ды­ рок». Суть этого явления в следующем. Когда колебания в резонаторе лазера могут происходить только на одной моде и когда спектральная линия лазера уширяется неоднородно, лазерное излучение может взаимодейство­ вать только с некоторой частью полного числа активных атомов и ионов ансамбля, а именно с той, у которой цен­ тральная частота перехода резонирует с частотой данной моды. Таким образом, если данная мода имеет ширину линии АVп^ и центральную частоту V,,,, а форма линии опи­ сывается выражением

то в процессе генерирования когерентных колебаний смо­ жет участвовать только часть атомов и ионов, определяе­ мая из выражения

■]• (50)

Этот дополнительный фактор следует учитывать при расчете к. п. д. прибора. Полный к. п. д. обычно значи­ тельно уменьшается даже в случае многомодовых лазе­ ров, работающих на неоднородно уширяющихся спек­ тральных линиях.

Б. Модуляция добротности и лазеры с большой импульсной мощностью. Предположим, что в данном лазере внутренние потери, характеризующиеся постоян­ ной а 7, можно сделать очень малыми и, кроме того, что в нашем распоряжении имеется накачка, которая позво­ ляет обеспечить сравнительно большую величину 1)7..

При этих условиях можно реализовать работу лазера в режиме, известном под названием режима с модуляцией добротности. В этом режиме выходной сигнал лазера представляет собой импульс длительностью всего не­ сколько десятков наносекунд и очень большой мощности, достигающей сотен мегаватт. Обычно к. п. д. в этом ре­ жиме понижен, но для некоторых применений, например для точного измерения расстояний, такое снижение к. п. д.

модуляцией добротности, служит фиг. 8. Фиг. 8, а отно­ сится к обычному режиму лазерного генератора. Кривая А соответствует случаю, когда накачка недостаточна для возбуждения генерации в лазере с постоянным пороговым уровнем т]г. Для кривой В интенсивность накачки уве­ личена, и в точке Ь через 250 мксек после включения на­ качки в лазере возникает генерация. Если в таком режиме работает лазер на твердом теле, то на его выходе обычно наблюдается последовательность импульсов или острых пиков длительностью около 1 мксек. Эти импульсы рас­ пределены во времени нерегулярно, но среднее время между ними составляет несколько микросекунд. Генера­ ция этих импульсов продолжается до тех пор, пока интен­ сивность накачки поддерживается на уровне г| вбли­ зи Т)г.

В процессе, иллюстрацией которого является фиг. 8, б, интенсивность накачки недостаточна для возбуждения колебаний в лазере, так как существует высокий началь­

около 10 нсек и выделено переходом на оси времени от шкалы в микросекундах к шкале в наносекундах. Снача­ ла и в течение 20 нсек после окончания изменения порога у\Т плотность лазерного излучения сравнительно мала, но затем очень быстро возрастает, что объясняется дейст­ вием вынужденного излучения. С увеличением плотности

В некоторых модуляторах добротности модулируется отражательная способность одного из зеркал резонатора. Так, например, в конструкции с вращающимся зеркалом

Врет,

мксек

Ф и г. 8. Изменение во времени величин т) и г)г

а — обычная наклчкя лазера: А — накачка недостаточна для начала лазерного процесса; В — генерирование начинается в точке Ь; б — про­ цесс модуляции добротности начинается в точке I. Шкайа времени изменяется с микросекунд на наносекунды.

один из отражателей укрепляют на валу высокоскорост­ ного электродвигателя. Когда нормаль к поверхности отражателя повернута на некоторый значительный угол относительно оси резонатора, т)г имеет большое значение. Напротив, г)г мало, когда нормаль к поверхности парал­ лельна оси резонатора. Следовательно, при вращении от­ ражателя % периодически проходит через свои начали-

ное и конечное значения, и если лампу накачки включать синхронно с вращением зеркала, то можно реализовать режим с модуляцией добротности. В модуляторе доброт­ ности второго типа используется электроолтический пере­ ключатель и скрещенные поляризаторы. В таком лазере при одном положении переключателя одно из зеркал не видно со стороны активного вещества и т)г имеет боль­ шое значение. В другом положении переключателя опти­ ческий резонатор работает нормально и % мало. Наконец, в модуляторах добротности с так называемыми просвет­ ляющимися фильтрами между активным веществом лазера и одним из зеркал помещают кювету с раствором краси­ теля, у которого резонансный переход близок к частоте лазера. Сначала краситель сильно поглощает на частоте лазера и значение т|п велико; но когда с повышением интенсивности накачки достигается пороговый уровень г\п, лазерное излучение в резонаторе быстро насыщает переход в красителе и резко снижает поглощение в нем. Следствием этого является низкое конечное пороговое значение т]г/, которое сохраняется до тех пор, пока плот­ ность излучения достаточно высока, чтобы насыщать ре­ зонансный переход в красителе. Как и можно было ожидать, модуляторы добротности с просветляющимися фильтрами снижают к. п. д. лазера, так как в этом случае непосредственно в резонатор лазера вводятся поглощаю­ щие элементы.

В. Комбинация генератора и усилителя. Наибольшую импульсную мощность к настоящему моменту удалось получить на комбинации генератора с усилителем. В уст­ ройствах такого рода в качестве генератора используется лазер с модуляцией добротности, мощный импульс кото­ рого пропускается через лазерный усилитель, выполнен­ ный на том же активном материале, что и генератор. Накачка генератора и усилителя производится одновре­ менно. Во время накачки генератор и усилитель изоли­ рованы друг от друга при помощи электрооптического переключателя или устройства с фарадеевским вращением плоскости поляризации. Тем самым не допускается попа­ дания излучения из одного прибора в другой и уменьше­ ния инверсии, накапливаемой в обоих лазерах, иными словами, не допускается преждевременное возбуждение

генератора. Когда в генераторе переключается доброт­ ность, его выходной импульс проходит через усилитель и при этом не только усиливается энергия и мощность им­ пульса, но и значительно уменьшается его длительность. Это укорочение импульса объясняется тем, что передний фронт импульса всегда проходит через среду, в которой т]

Ф и г. 9. Обобщенная схема энергетических уровней в рабочем веществе лазера.

высоко, а задний фронт через среду, в которой г) умень­ шено из-за взаимодействия с передним фронтом импульса. Следовательно, коэффициент усиления в точках перед­ него фронта всегда больше, чем в других точках импульса, и поэтому при прохождении импульса через усилитель его длительность прогрессивно уменьшается. Таким об­ разом, суммарное действие усилителя, дает значительное увеличение выходной мощности.