Реферат: Лазер

Генерация коротких и сверхкоротких импульсов . Если для накачки твердотельного Л. используется лампа-вспышка с длительностью импульса Dt_n ~ 10^-3 сек, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала генерации по сравнению с лампой-вспышкой обусловлено тем, что для развития генерации необходимо превысить некоторое пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один проход рабочего объёма начинает превышать суммарные потери энергии за счёт отражения луча от зеркал резонатора, паразитного поглощения и рассеяния света. При достаточно больших мощностях накачки порог генерации достигается за время t << t_н . Такой режим работы Л., когда длительность лазерного импульса Dt_л » Dt_н , наз. режимом свободной генерации. Для ряда применений важно сократить длительность импульса Dt_л , т.к. при заданной энергии импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса Dt_л определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.

Применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса, управляемые электрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью Dt_л ~ 10^-7 — 10^-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения Dt_л достигает нескольких порядков.

Новые возможности сокращения длительности импульса Л. открыло применение в качестве затворов просветляющихся фильтров. Таким фильтром обычно служит слабый раствор красителя, причём концентрация поглощающей компоненты подбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света достигалось насыщение, при этом раствор становится прозрачным (просветляется). Введение в резонатор такого фильтра повышает порог генерации: при включении накачки в рабочем объёме начинают накапливаться возбуждённые частицы; растет также и интенсивность их спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход рабочего объёма) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. Но как только достигается уровень просветления, затвор автоматически выключается, и уже ничто не препятствует развитию генерации. Применение просветляющихся фильтров позволило получить гигантские импульсы света длительностью до 10^-9 сек, с энергией ~ десятков дж, что соответствует мощности ~ 10¹⁰ вт.

Если обеспечивается одномодовой режим генерации, то наблюдается единый, не имеющий структуры гигантский импульс. В остальных случаях гигантские импульсы имеют сложную структуру. Например, для неодимового Л. они представляют собой последовательность значительно более коротких импульсов длительностями ~ 10^-11 —10^-12 сек. Происхождение этой структуры объясняется следующим образом: спонтанное излучение атомов Nd в стекле характеризуется довольно широким спектром Dn ~ 10¹² гц (Dl ~ 100 ), т. е. представляет собой сумму большого числа монохроматических колебаний с частотами в интервале Dn и произвольными фазами. Поэтому интенсивность излучения изменяется во времени случайным образом (рис. 8 ), причём характерный временной масштаб всей этой картины, т. е. длительность типичных всплесков интенсивности, имеет порядок величины . Оказалось, что с помощью введения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно сфазировать моды лазера. В идеальном случае, когда сфазированы все моды, излучение лазера приобретает вид регулярной последовательности импульсов с длительностью . Интервалы между импульсами определяются длиной резонатора, т. е. равны периоду 2L/c . Подобный метод получения сверхкоротких и исключительно мощных импульсов получил название метода самосинхронизации мод. Практически сфазировать все моды лазера довольно трудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картина формирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формирования сверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерно следующим образом: на начальной стадии развития генерации излучение представляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивность соответствует горизонтальной прямой (рис. 8 ), то фильтр будет выключаться теми пучками, интенсивность которых больше просветляющей. После прохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать. Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случае достаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пика фильтр пропустит ещё несколько последующих более слабых пиков.

Рис. 8: Интенсивность излучения в зависимости от времени (лазер)

Просветляющийся фильтр можно подобрать так, что он будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Это позволяет, используя некоторые дополнительные устройства, выделять отдельные сверхкороткие импульсы генерации (рис. 9 ). Энергия каждого из таких импульсов, как правило, невелика, однако её можно значительно увеличить, если усилить первоначальный импульс с помощью второго Л. или нескольких Л., работающих в режиме усиления и отличающихся от Л. в режиме генерации отсутствием зеркал или каких-либо др. отражающих элементов, образующих резонатор. Все возможные причины отражений устраняются выбором соответствующей конструкции. Техника формирования сверхкоротких импульсов и их последующее усиление позволяют получить импульсы генерации длительностью ~ 10^-11 — 10^-12 сек и пиковой мощностью ~ 10¹² — 10¹³ вт.

Рис. 9

Можно ожидать от Л. на неодимовом стекле дальнейшего сокращения импульсов, по крайней мере в несколько раз. Однако измерение длительности столь малых временных интервалов затруднительно. Мощность ограничивается прочностью самих лазерных материалов и достигает 10¹² —10¹³ вт. Это значительно превышает мощности крупнейших современных электростанций. Развитие методов формирования коротких и сверхкоротких импульсов открыло новый класс оптических явлений, таких, как самофокусировка света, вынужденное рассеяние света, параметрическое преобразование частоты света, смешение частот и т.п. Все эти явления и их применения составляют содержание нелинейной оптики.

Газовые лазеры. Основным достоинством газов как активной среды Л. является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых прежде всего необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые Л. представляют наибольший интерес. Вслед за первым газовым Л. на смеси гелия и неона (1960) было создано большое количество разнообразных газовых Л., в которых используются квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Так, Л. на водороде работает на длине волны l = 0,17 мкм, Л. на ионах Ne³⁺ и Ne²⁺ работают на длине волны l = 0,2358 мкм и l = 0,3324 мкм, а Л. на молекулах воды H₂ O — на длинах волн l = 27,9 мкм и l = 118,6 мкм.

Среди Л. непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелий-неоновый Л. Этот Л. представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne. Он генерирует излучение с l = 0,6328 мкм, т. е. в красной области спектра. Типичные размеры трубки: длина несколько десятков см или 1—2 м; диаметр несколько мм. Мощность генерации обычно составляет десятки мвт. Гелий-неоновый Л. может работать также на целом ряде переходов в ближней инфракрасной области, например на длинах волн l = 1,152 мкм и l = 3,39 мкм. В Л. сравнительно просто реализуется предельно малая, т. е. дифракционная расходимость светового пучка.

Наиболее мощным Л. непрерывного действия в видимой области спектра является аргоновый Л. В нём используется электрический разряд в Ar с большой плотностью тока (до нескольких тысяч а/см² ). Он работает на квантовых переходах иона Ar в синей и зелёной областях спектра: l = 0,4880 мкм и l = 0,5145 мкм. Мощность генерации составляет десятки вт. Конструктивно аргоновый Л. значительно сложнее гелий-неонового (необходимы охлаждение и циркуляция газа). Наиболее мощным газовым Л. является Л. на CO₂ (l = 1,06 мкм). При непрерывном режиме работы СО₂ -Л. достигается мощность в десятки квт.

Создано также большое число импульсных газовых Л., работающих, как правило, в переходном режиме формирования разряда. Некоторые из них в режиме коротких импульсов (длительностью ~ 10^-9 сек) дают сравнительно высокие пиковые мощности ~ 10 квт. СО₃ -Л. также может работать в импульсном режиме, обеспечивая мощность 10¹⁰ вт.

Газовые Л. способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели Л. всех др. типов. Однако на пути повышения монохроматичности и стабильности частоты излучения Л. возникает целый ряд трудностей как технического, так и принципиального характера. Различные помехи, приводящие к «качанию» частоты Л., можно разделить на два класса: технические, влияющие на собственные частоты резонатора, и физические, сказывающиеся на частоте рабочего перехода. К первым можно отнести дрожание зеркал резонатора, изменение его длины вследствие теплового расширения и т.п. Ко вторым относятся влияние внешних электрических и магнитных полей, флуктуации свойств активной среды и мощности накачки. Для уменьшения роли большинства из этих факторов имеются соответствующие методы защиты. Например, разрабатываются специальные методы автоматической подстройки резонаторов, использующие магнитострикционные явления, пьезоэффект и т.п. В основе этих методов лежит следящая система, которая фиксирует изменение параметров резонаторови обеспечивает соответствующую компенсацию. Наиболее важным фактором, лимитирующим стабильность частоты Л., являются флуктуации давления в рабочем объёме. Форма спектральной линии в газе зависит от давления, т.к. столкновения атомов и молекул в газе приводят к уширению и сдвигу спектральных линий, пропорциональным давлению. Флуктуации давления приводят к флуктуациям частоты рабочего квантового перехода. Поэтому активный газ должен находиться при возможно более низком давлении. С другой стороны, понижение давления приводит к уменьшению коэффициента усиления среды. Это противоречие частично удаётся разрешить методом стабилизации частоты излучения Л. с помощью поглощающей ячейки, помещаемой в резонатор. В поглощающей ячейке находится газ, имеющий спектральную линию поглощения, перекрывающую линию, соответствующую рабочему переходу активной среды. Наприме?