1.4. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Схема и устройство твердотельного лазера. Функциональная схема такого лазера приведена на рис. 8. Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока поджига, пульта управления. Излучающая головка преобразует

Рис. 8. Функциональная схема оптического генератора

электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то расскажем об его устройстве. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный — Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе.

Рис. 9. Принципиальная схема системы питания лазера

Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 — это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

Система питания и управления рубинового лазера приведена на рис. 9. Она состоит из высоковольтного выпрямителя, предназначенного для получения от промышленной сети выпрямленного тока напряжением блока поджига ламп, служащего для получения импульса, высокого напряжения, необходимого для начальной ионизации газа в лампах, блока питающих конденсаторов, измерительной аппаратуры и системы автоблокировки. Прибор работает следующим образом. Включением тумблера смонтированного на пульте управления, подается напряжение на автотрансформатор. С движка автотрансформатора часть напряжения подается на высоковольтный трансформатор который может иметь такое соотношение витков первичной и вторичной обмоток, что обеспечивает подачу на выпрямительное устройство напряжения до 3000 В. На выходе выпрямителя подключена батарея конденсаторов (от 3 до типа Параллельно конденсаторам подключен кило-вольтметр, позволяющий контролировать напряжение, До которого заряжаются конденсаторы. Это напряжение через блокировочный контактор подается на две импульсные лампы Контактор управляется от двери шкафа, в котором размещены конденсаторы. При случайном или преднамеренном открывании шкафа конденсаторы через резистор разряжаются на

землю. В рабочем состоянии импульсные лампы все время подключены к заряженным конденсаторам. Однако это не приводит к их вспышке, так как требуемое пробивное напряжение значительно выше. Для обеспечения вспышки ламп служит система зажигания. Она работает следующим образом. Напряжение от сети подается на трансформатор с выходной обмотки которого снимается напряжение до 1000 В. Выпрямленным током заряжается конденсатор После включения кнопки пуска установленной на пульте управления, конденсатор разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора Во вторичной обмотке индуцируется высокое напряжение, достаточное для получения пробоя воздушного промежутка в импульсной лампе. Это напряжение подается на внешний электрод лампы. Ионизация газа в лампе приводит к резкому снижению сопротивления, и конденсаторы разряжаются через лампу, сопровождая разряд интенсивным свечением. Возникающее излучение и вызывает переход ионов хрома в возбужденное состояние. Поскольку только часть световой энергии ламп используется для этого — не более 90% — то кпд таких генераторов составляет всего Следовательно, простейшие подсчеты приводят к тому, что, если рубиновый лазер дает в импульсе то общая потребляемая им мощность должна быть на два порядка, т. е. в 100 раз, больше. Стремясь повысить кпд лазеров, идут на всяческие технические ухищрения, позволяющие целесообразнее использовать потребляемую энергию. Так, например, используют не цилиндрический рефлектор, а эллипсо-цилиндрйческий, поперечный разрез которого показан на рис. 10.

Рис. 10. Схема эллипсо-цилиндрической головки

В таком рефлекторе лампа-вспышка карандашного типа расположена по одной фокальной оси, а по другой оси — рубиновый стержень. В соответствии с законом построения эллипса луч, вышедший из одной оси эллипса и упавший на образующую эллипса, проходит, отразившись от нее, через

другую ось. Поэтому весь световой поток от лампы-вспышки должен пройти через рубиновый стержень. Другие излучающие головки имеют четыре-пять эллипсо-цилиндрических отражателей с одним общим фокусом, в котором и располагается рубиновый стержень, а в остальных четырех-пяти находятся лампы-вспышки.

В отечественных лазерах ГСИ-1 и ГОС-100 [4] в качестве активного вещества используется неодимовое стекло. В первом — параллелепипед с размерами а во втором — цилиндр диаметром 25 и длиной Источником возбуждения в служат восемь импульсных ламп Излучаемая энергия достигает длительность импульса что соответствует мощности примерно Оба лазера излучают на волне

Квантовые генераторы, работающие в таком режиме, называют лазерами со свободной генерацией. Их характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1 (см. скан) Характеристики твердотельных лазеров

Если рассмотреть импульс излучения такого лазера, то оказывается, что он представляет собой ряд всплесков, или пиков. Такая неупорядоченная последовательность пиков во времени бывает неудобна при создании дальномеров или локаторов, и инженеры предложили сосредоточить излучение в очень коротком интервале времени, измеряемом миллиардными долями секунды. Мощность импульса при той же энергии увеличивается в миллионы раз (мощность равняется энергии, деленной на время импульса).

Рис. 11. Лазер с модуляцией добротности резонатора

Для таких лазеров импульсная мощность достигает десятков мегаватт. Как это получается? Посмотрим на рис. 11, на нем изображен лазер с модуляцией добротности резонатора. Одно из зеркал выполнено «глухим» - левое, а правое зеркало расположено на оси электродвигателя. Если это зеркало повернуто на 90° по отношению к тому, что изображено на рисунке, то добротность резонатора равна нулю, и в этом случае стимулированного излучения быть не может, хотя возможно перевести все ионы хрома в возбужденное состояние, т. е. осуществить накачку активного вещества энергией. Если теперь резко перевести правое зеркало в положение, когда оно станет перпендикулярно оси активного вещества, то добротность резонатора станет максимальной В стержне мгновенно возникает генерация. Вся энергия, запасенная в возбужденных ионах активного вещества, высвобождается в одном коротком импульсе. Его иногда называют «гигантским». Длительность такого импульса составляет а мощность около 50 МВт.

Помимо таких вращающихся зеркал в качестве оптических затворов используют различные ячейки, например ячейку Керра, ультразвуковую ячейку и др. В последнее время стали использовать в качестве оптических затворов просветляющиеся фильтры. Их действие

основано на том, что они меняют свою прозрачность под действием светового потока. Один из таких фильтров работает следующим образом. Он сделан в виде кюветы с раствором металлической соли фталоцианина, которая помещается между стержнем лазера и одним из зеркал. Раствор сильно поглощает свет на частоте генерации рубина, поэтому усиление света с помощью резонаторов не происходит (добротность резонатора равна нулю). Но в это время осуществляется накачка активного вещества энергией. Когда энергия накачки увеличится до значения, при котором усиление рубина превысит потери на поглощение в растворе фталоцианина, лазер начнет довольно слабо излучать когерентный свет. Небольшое количество этого дополнительного света оказывается достаточным для обесцвечивания раствора настолько, чтобы он стал совершенно прозрачным. В этот момент сразу пойдет резкое увеличение генерации и вся накопленная энергия будет мгновенно испущена в виде мощного импульса. После этого раствор быстро возвращается в свое исходное состояние и вновь готов к образованию следующего импульса. Основные характеристики таких лазеров приведены в табл. 2.

Таблица 2 (см. скан) Характеристики лазеров с модуляцией добротности