Лазер (стр. 3 из 5)
Т. к. химические связи молекул являются исключительно энергоёмким накопителем энергии, то перспективно непосредственное использование энергии химических связей для возбуждения частиц, т. е. создание активной среды Л. в результате химических реакций. Примером химической накачки является реакция водорода или дейтерия с фтором. Если в смеси H2 и F2 к.-л. образом диссоциировать небольшое кол-во молекул F2, то возникает цепная реакция F + H2 → HF + H, H + F2 → HF + F и т.д. Молекулы HF, образующиеся в результате этой реакции, находятся в возбуждённом состоянии, причём для ряда квантовых переходов выполняются условия инверсии населённостей. Если к исходной смеси добавить CO2, то, кроме Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), удаётся также создать Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Здесь колебательно возбуждённые молекулы HF играют ту же роль, что и молекулы N2 в газоразрядных лазерах на CO2. Более эффективной в этом случае оказывается смесь D2, F2 и CO2. В этой смеси коэффициент преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения может достигать 15%. Химические Л. могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах; разработаны различные варианты химических Л., в том числе сходные с газодинамическими Л.
В полупроводниках активную среду оказалось возможным создавать различными способами:
1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;
2) возбуждением электронным ударом;
3) оптическим возбуждением
Твердотельные лазеры. Существует большое количество твердотельных Л., как импульсных, так и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили Л. на рубине и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый Л. работает на длине волны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4—5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 дж за время ~ 10-3сек.
Л. на рубине, наряду с Л. на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными Л. Полная энергия импульса генерации достигает сотен дж при длительности импульса 10-3сек. Оказалось также возможным реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких кгц).
Примером твердотельных Л. непрерывного действия являются Л. на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и Л. на иттриево-алюминиевом гранате Y3Al5O12 с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких Л. работает в области длин волн l от 1 до 3 мкм. Возможность реализации непрерывного режима в этих Л. обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего перехода является не основной уровень E1, а возбуждённый уровень E2 (рис. 7). Если уровень E2 достаточно далеко отстоит по энергии от основного уровня E1 (по сравнению с кТ, где к — постоянная Больцмана, Т — температура) и характеризуется достаточно малым временем жизни, то инверсия населённостей для уровней E2, E3 может быть создана с помощью сравнительно маломощных источников оптической накачки. У некоторых из таких Л. генерация осуществлена при накачке солнечным светом. Типичное значение мощности генерации твердотельных Л. в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей вт, для Л. на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт. Если не принимать специальных мер, то спектр генерации твердотельных Л. сравнительно широк, т.к. обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Как правило, это связано со значительным уменьшением генерируемой мощности.
Рис. 7: Уровни активной cреды твердотельного лазера непрерывного действия (схема)
Трудности выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла привели к созданию жидкостных Л., в которых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не в кристаллы, а в жидкость. Однако жидкостные Л. имеют недостатки и поэтому применяются не столь широко, как твердотельные Л
Генерация коротких и сверхкоротких импульсов. Если для накачки твердотельного Л. используется лампа-вспышка с длительностью импульса Dtn ~ 10-3сек, 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 << tн. Такой режим работы Л., когда длительность лазерного импульса Dtл » Dtн, наз. режимом свободной генерации. Для ряда применений важно сократить длительность импульса Dtл, 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 Dtл 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 Dtл ~ 10-7 — 10-8сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения Dtл 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 ~ 1010вт.
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—10-12сек. Происхождение этой структуры объясняется следующим образом: спонтанное излучение атомов Nd в стекле характеризуется довольно широким спектром Dn ~ 1012гц (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.