Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Квантовая и оптическая электроника Методы возбуждения твердотельных лазеров

Методы возбуждения твердотельных лазеров

Печать

Для возбуждения атомов активного вещества используются различные генераторы накачки. Метод возбуждения лазера имеет большое значение. Системы возбуждения должны обеспечивать эффективное преобразование электрической энергии в излучение заданной частоты. Излучение генераторов накачки должно быть сфокусировано с минимальными потерями оптической системой на активном стержне, а в активном стержне должно быть обеспечено максимальное поглощение излучения накачки.

В качестве генераторов накачки широко применяются системы возбуждения с помощью светового поля. Генератором накачки может служить, например, газоразрядная лампа, которая спиралью обвивает стержень активного вещества. Такие генераторы накачки имеют относительно низкую эффективность, так как большая часть излучаемой энергии рассеивается газоразрядной лампой вне активного вещества.

Значительно большей эффективностью обладают системы, использующие эллиптический рефлектор, представляющий собой цилиндр эллиптического сечения, вдоль фокусных линий которого размещены активное вещество и газоразрядная лампа. Устройство с эллиптическим рефлектором потребляет энергии примерно в 10 раз меньше, чем генератор накачки, использующий газоразрядную лампу спиральной формы, так как излучаемая световая энергия концентрируется в основном эллиптическим отражателем в месте расположения активного вещества.

С целью увеличения энергии накачки могут применяться устройства с несколькими (двумя, четырьмя) эллиптическими рефлекторами. Они фокусируют на активном веществе световую энергию нескольких источников. Коэффициент полезного действия такого устройства в связи с уменьшением фокусирующей поверхности каждого из элементов несколько ниже, чем при использовании системы накачки с одним эллиптическим рефлектором.

Иногда в качестве отражателя используют систему, представляющую собой устройство с цилиндрическим рефлектором круглого сечения, в котором лампа и активное вещество расположены симметрично относительно продольной оси цилиндра. Эффективность такого генератора накачки меньше, чем устройства с эллиптическим цилиндром, но он гораздо проще в конструктивном исполнении.

В генераторах накачки могут быть использованы рефлекторы с серебряными и алюминиевыми покрытиями. Увеличение коэффициента отражения может быть достигнуто за счет использования интерференционных диэлектрических покрытий. Эти покрытия обеспечивают высокий коэффициент отражения световой энергии в нужном диапазоне частот и имеют низкую отражающую способность в других частотных диапазонах, например в инфракрасном, за счет чего может быть снижен нагрев активного вещества лазера и улучшены его рабочие характеристики.

Недостатком таких покрытий является сильная зависимость коэффициента отражения от угла падения. Имеются генераторы накачки, фокусирующее устройство которых состоит из цилиндра и расположенных на его концах двух соосных конусов. Активное вещество и лампа накачки размещаются вдоль оси системы. Излучаемая лампой световая энергия после нескольких отражений от поверхностей цилиндра и конусов попадает на активный элемент. Та часть энергии, которая не поглощается активным веществом, отражается конусом обратно на активный элемент.

Эффективность такой системы в два раза выше, чем системы с эллиптическим рефлектором. Высокий коэффициент полезного действия можно получить от системы, в которой используется рефлектор в виде эллипсоида. При таком методе накачки весь световой поток лампы падает на активное вещество лазера. Такая система накачки может быть использована для лазеров непрерывного излучения. В качестве системы возбуждения активного вещества лазера, работающего в непрерывном режиме, может быть использован метод «торцевой накачки». Возбуждающее излучение поступает на активное вещество лазера через торцевую поверхность и распространяется вдоль оси стержня.

В генераторах возбуждения лазеров иногда используется источник света, возникающий благодаря вспышке провода, очень быстро перегорающего (взрывающегося) под действием тока большой силы, проходящего по нему. Это очень яркий источник света, обладающий чрезвычайно большой мощностью. «Взрывающийся» провод излучает световой поток в узкой полосе частот.

Основные трудности использования этого метода возбуждения связаны с необходимостью поглощения взрывной волны. Для предохранения активного вещества от разрушения его окружают концентрическими полыми цилиндрами из стекла и пластмассы. При разработке этого метода было создано семейство лазеров с очень мощными импульсами излучения, получивших название ксазеров. Энергия излучения ксазеров составляет сотни джоулей.

Общее свойство ксазеров — наличие фазированной решетки из электрически взрывающихся проводников, движущихся со скоростями, которые могут превышать скорость звука. Проводники могут быть вставлены в корпус вращающегося ротора и электрически «поджигаются» в нужный момент. Яркость системы вращающихся проводников определяется количеством проводников фазированной решетки, взрывающихся в единицу времени. Этот метод может быть использован для лазеров, требующих накачки частотами, лежащими в ультрафиолетовой области спектра. По сравнению с лазерами, использующими лампу-вспышку, ксазеры имеют больший КПД и позволяют получить импульсы излучения большой мощности и малой длительности. Для возбуждения активного вещества может быть также использован метод солнечной накачки. Солнечные лучи улавливаются параболическим зеркалом и фокусируются гиперполусферической сапфировой линзой, которая фокусирует и направляет солнечную энергию на рубиновый стержень. Эффективность метода настолько велика, что на краю рубина может быть получена плотность света почти в три раза большая, чем на поверхности Солнца.

Для возбуждения лазеров можно применить метод катодолюминесцентной накачки. Рубиновый кристалл помещается внутри электроннолучевой трубки и возбуждается светом, возникающим при катодолюминесценции фосфора, который покрывает металлическую цилиндрическую поверхность трубки. Данный метод одинаково эффективен как для импульсных лазеров, так и для лазеров непрерывного излучения.

Изучается возможность непосредственной накачки лазера а, р, у-лучами и нейтронами. Предполагается получить когерентное излучение путем преобразования гамма-лучей в видимые и инфракрасные лучи. Для этого гамма-лучи должны, например, поступать через отверстие в экране реактора в осциллятор, который со всех сторон, за исключением небольшого окна, покрыт отражающим материалом. В осцилляторе гамма-лучи возбуждают электроны, которые после снятия возбуждения испускают фотоны. Поток фотонов можно промодулировать. Предполагается, что ядерная накачка позволит сконструировать лазеры с коэффициентом полезного действия до 30%.

Разработаны и применяются и другие способы накачки лазеров. Так, например, в некоторых лазерах активный материал и лампа-вспышка представляют собой единое целое. Активный материал служит как бы оболочкой лампы-вспышки. Такие лазеры являются более эффективными, чем лазеры» прежних конструкций, и характеризуются низким порогом срабатывания.

Так, лазер на фтористом барии с примесью самария, имеющий цилиндрический резонатор, начинает излучать при 40°С и при помощи накачки вдвое меньшей, чем при обычных методах накачки, а лазеры на стекле с примесью неодимия при комнатной температуре излучают при мощности накачки в 5 раз меньшей, чем при других способах возбуждения.

Способы конструктивного выполнения генераторов на лазерах в настоящее время могут быть самыми различными. На рисунке приведен один из вариантов построения лазера с эллиптическим фокусирующим устройством.

Конструкция лазера с эллептическим фокусирующим устройством
Конструкция лазера с эллептическим фокусирующим устройством
1 — фокальные оси эллиптического цилиндра; 2 — лампа-вспышка; 3 — луч лазера; 4 — активное вещество лазера