Устройство рубинового лазера.

Оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: активной среды и резонатора.

В первых лазерах активной средой был кристалл рубина с примесью около 0,05% хрома (рис. 104). Этот основной элемент лазера обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,4-2 см и длиной 3—20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны, и на них нанесен слой серебра. Одна из зеркальных поверхностей частично прозрачна: 92% светового потока отражается от нее и около 8% пропускается ею.

Рубиновый стержень помещен внутри импульсной ксеноновой спиралевидной лампы 2, питаемой импульсами высокого напряжения от батареи конденсаторов электроемкостью до заряжаемой до напряжения в несколько тысяч вольт. При разряде через лампу конденсаторы батареи отдают энергию в сотни тысяч джоулей. Длительность вспышки составляет , а мощность лампы превышает 107 Вт. Лампа является источником возбуждающего излучения. Инверсная населенность уровней в рубине создается использованием трех уровней энергии атомов хрома.

Атомы хрома, поглощая излучение с длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре ксеноновой лампы, переходят с основного уровня на возбужденный уровень Поглощение рубином излучения лампы с

Рис. 104

другими длинами волн вызывает его нагревание. Для предохранения от теплового разрушения рубин охлаждается жидким азотом.

Время жизни атомов хрома на возбужденном уровне мало. Для перехода с уровня на основной оно составляет , а для перехода оно меньше с. Поэтому большая часть атомов, возбужденных на уровень совершает переходы на второй возбужденный уровень

Время жизни атома хрома на уровне сравнительно велико — порядка с. Этот уровень является метастабильным: Если мощность лампы-вспышки достаточно велика, то населенность метастабильного уровня окажется больше, чем населенность основного уровня. При достижении инверсной населенности уровней кристалл рубина становится активной средой.

Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой. Соответственно используемую для этого импульсную ксеноновую лампу называют лампой накачки.

Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня на основной с испусканием фотона с частотой которой соответствует длина волны красного света 694,3 нм, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление вылета первичного фотона было перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то из полупрозрачного зеркала резонатора вырывается монохроматическое, когерентное и остронаправленное излучение с длиной волны 694,3 нм.

Процессы, протекающие в кристалле рубина, схематически представлены на рисунке V цветной вклейки.

Кристалл рубина изображен на этой вклейке прямоугольником; штриховкой слева обозначено зеркало; более редкой штриховкой справа обозначено частично прозрачное зеркало, являющееся и выходным окном для луча лазера. Атомы кристаллической решетки рубина на рисунке не показаны; кружками обозначены атомы хрома, распределенные внутри кристалла хаотически.

До воздействия света все атомы хрома в кристалле находятся в основном состоянии, они обозначены светлыми кружками (см. рис. V, а на цветной вклейке). Под воздействием фотонов света различной частоты, испускаемых лампой накачки, большинство атомов хрома переходит в возбужденное метастабильное состояние. Возбужденные атомы хрома обозначены темными кружками (см. рис. V, б на цветной вклейке).

Возбужденный атом хрома при переходе в основное состояние испускает фотон света. Все направления для спонтанного излучения фотонов равновероятны, и поэтому сначала большинство излученных фотонов покидает кристалл, вылетая из него по различным направлениям. Только фотоны, летящие вдоль оси

рубинового стержня, не могут быстро его покинуть, испытывая многократные отражения от зеркал на торцах кристалла (см. рис. V, в на цветной вклейке). Пролетая вблизи возбужденных атомов хрома, эти фотоны вызывают вынужденное излучение таких же фотонов, летящих в том же направлении. Этот процесс развивается лавинообразно, и за короткий интервал времени в него оказывается вовлеченной большая часть возбужденных атомов хрома: сквозь частично прозрачное зеркало на правом торце кристалла вырывается мощный пучок когерентного света (см. рис. V, г на цветной вклейке).

Описанный режим работы лазера называют режимом свободной генерации. Свободная генерация начинается после вспышки лампы накачки и длится около 1 мс. В этом режиме получены рекордные значения энергии излучения, достигающие 1000 Дж в импульсе при мощности около Вт.

КПД рубинового лазера невелик: он составляет всего около 1%. Столь низкий КПД обусловлен многими причинами. Основными из них являются следующие: не весь запас электрической энергии, накапливаемой в конденсаторе, превращается в световую энергию; лишь часть светового потока лампы накачки поглощается рубином.