Курс лекций Квантовая и оптическая электроника для направления подготовки

O
Al
(корунд), в котором часть
атомов алюминия замещена ионами трехвалентного хрома
3

Cr
, концентрация которых
составляет 0,05%. Каждый ион хрома окружен шестью ионами кислорода (
2

О
). И таким
образом хром находится в сильном электрическом поле.
Схема уровней:
Рубиновый лазер работает по трехуровневой системе накачки. Накачка
осуществляется либо в синюю, либо в зеленую область поглощения. Затем ионы
переходят в метастабильное состояние, которое является верхним рабочим уровнем, и
далее осуществляется генерация на длине волны 0,6929мкм и 0,6943мкм.
Первый рубиновый лазер был изготовлен в виде стержня, на торцах которого были
нанесены зеркала, а оптическая накачка осуществлялась с помощью ксеноновой лампы в

---

виде спирали. Источником накачки твердотельного лазера не могут быть лампы
накаливания, так как спектр излучения лампы на основе вольфрамовой нити приходится
на инфракрасную область.
Для того, чтобы максимум спектра лампы накаливания приходился на зеленую
область поглощения, необходимо нагреть спираль до 6500ºС, а синюю – до 10000ºС;
поэтому для оптической накачки лазеров применяются ксеноновые лампы, которые
имеют сплошной спектр и КПД 50%.
Современные лазеры изготавливаются в виде рубинового стержня и ксеноновой
лампы, которые помещены в эллиптический отражатель, причём лампа и стержень
находятся в фокусах эллиптического отражателя.
Основное свойство эллипса заключается в том, что если луч выходит из одного
фокуса, то после отражения он придёт во второй фокус, то есть эффективность
оптической накачки будет максимальна.
Рубиновый лазер может работать в режиме свободной генерации и в режиме
модуляции добротности (режим гигантских импульсов). Рубиновый лазер может работать
только в импульсном режиме, так как во время оптической накачки происходит сильный
нагрев стержня и необходимо некоторое время для его охлаждения. Режим свободной
генерации заключается в следующем: резонатор состоит из двух зеркал; в резонаторе
находится рубиновый стержень, который накачивается ксеноновой лампой.
Пусть импульс лампы накачки представляет собой прямоугольник.

---

Как только начнёт работать лампа накачки, начнёт расти разность населённости.
Как только разность населённости достигнет порогового значения, возникает генерация,
которая быстро снимает разность населённости до нуля. Затем лазерное излучение
затухает по экспоненте, и далее процесс повторяется снова. Этот режим называется
режимом свободной генерации или печковым режимом.
Режим модуляции добротности осуществляется по следующей схеме:
Добротность резонатора зависит от потерь в резонаторе, поэтому в резонатор
вносят модулятор добротности, который в начальный момент вносит большие потери, и
добротность резонатора очень мала. Лампа накачки увеличивает разность населённости,
но так как добротность мала, лазерного излучения не возникает и происходит накопление
энергии рубиновом стержне. В какой-то момент времени модулятор добротности
переключается, добротность становится высокой и вся накопленная энергия выделяется в
виде одного гигантского импульса.

---

Первыми модуляторами добротности были вращающиеся зеркала, но они были
ненадёжными. В настоящее время используются активные и пассивные модуляторы
добротности.
Активный модулятор добротности представляет собой ячейку Керра или
Поккельса, которые при подаче напряжения пропускают лазерное излучение одной строго
определённой поляризации. Пассивный модулятор добротности представляет собой
кювету, заполненную раствором сильно поглощающего вещества или твердое тело,
поглощающее лазерное излучение. При оптической накачке возникает спонтанное
излучение рубинового стержня. Это излучение поглощается веществом и переводит
молекулы поглощаемого вещества из основного состояния в возбужденное. В момент,
когда больше половины молекул вещества перейдет в возбужденное состояние,
происходит просветление модулятора и возникает гигантский импульс.

---

3.2 Газовые лазеры.
Это лазеры, в которых активной средой являются газы. Рабочими уровнями
являются уровни, почти, изолированных частиц. Взаимодействие значительно меньше,
чем в твердых телах, поэтому линии излучения очень узкие. Относительно небольшая
плотность активных частиц приводит к большой длине резонатора. Мощность
значительно меньше, чем в твердотельных лазерах в импульсном режиме. Длина волны
излучения перекрывает диапазон от 0,2 мкм до 400 мкм. Расходимость 10
-4
рад.
Основные процессы, происходящие в плазме газового разряда.
В плазме газового разряда существуют нейтральные атомные молекулы в
невозбужденном состоянии, нейтральные атомные молекулы в возбужденном состоянии;
ионы положительные и отрицательные, в возбужденном и невозбужденном состоянии и
электроны. Концентрация отрицательных и положительных частиц одинакова, т. е. плазма
электрически нейтральна.
Все частицы в плазме находятся в непрерывном хаотическом движении, а
заряженные частицы дрейфуют в электрическом поле. Средняя энергия каждой частицы
превышают тепловую, т. к. частица получает дополнительную энергию за счет
электрического поля. Частицы плазмы испытывают соударение друг с другом. Различают
упругие соударения частиц в плазме, при которой суммарная кинетическая энергия частиц
не меняется, а также и не упругие соударения, когда общая кинетическая энергия,
сталкивающихся частиц, меняется за счет их внутренней энергии. Если суммарная
кинетическая энергия частиц убывает и за счет этого возрастает внутренняя энергия
частиц, то такие не упругие соударения, называются не упругие соударения первого рода.
Если же при не упругих соударениях, суммарная кинетическая энергия
увеличивается, за счет внутренней энергии, то это не упругое соударение второго рода.
Наиболее важны три процесса возбуждения:
1)
Прямое электронное возбуждение.
Быстрый электрон, ускоренный электрическим полем, сталкивается с атомом,
находящийся в основном состоянии, передает ему часть своей энергии, в результате атом
переходит в возбужденное состояние.




