3.2. Оптическая накачка

В случае оптической накачки свет от мощной некогерентной лампы с помощью соответствующей оптической системы передается активной среде. На рис. 3.1 представлены три наиболее употребительные схемы накачки. Во всех трех случаях активная среда имеет вид цилиндрического стержня, как это обычно встречается на практике. Его диаметр может быть от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, а длина — от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Лазер, очевидно, может работать в импульсном или в непрерывном режиме, в зависимости от того, является ли лампа накачки импульсной (лампа-вспышка) или непрерывной.

Рис. 3.1, Наиболее широко используемые системы оптической накачки.

Изображенная на рис. 3.1, а лампа имеет форму спирали; при этом свет попадает в активную среду либо непосредственно, либо после отражения от зеркальной цилиндрической поверхности (указанной на рисунке цифрой 1). Такая конфигурация использовалась при создании первого рубинового лазера и до сих пор иногда применяется для импульсных лазеров. На рис. 3.2, б лампа имеет форму цилиндра (линейная лампа), радиус и длина которого приблизительно те же, что и у активного стержня. Лампа размещается вдоль одной из фокальных осей зеркально отражающего эллиптического цилиндра (отмеченного на рис. 3.1, б цифрой 1), а лазерный стержень располагаются вдоль другой фокальной оси Хорошо известное свойство эллипса состоит в том, что луч выходящий из первого фокуса проходит после отражения от эллиптической поверхности через второй фокус Это означает, что большая часть света, излучаемого лампой, благодаря отражению от эллиптического цилиндра попадает в лазерный стержень. На рис. 3.1, в изображен пример так называемой конфигурации с плотной упаковкой. Лазерный стержень и линейная лампа располагаются как

можно ближе друг к другу и плотно окружаются цилиндрическим отражателем (указан на рис. цифрой 1). Эффективность конфигурации с плотной упаковкой обычно ненамного ниже, чем в случае эллиптического цилиндра. Заметим, что часто вместо зеркально отражающих рефлекторов в схемах на рис. 3.1, а и в применяют цилиндры, изготовленные из диффузно отражающих материалов (таких, как спрессованные порошки или или белая керамика). Заметим также, что применяются и сложные типы осветителей, в конструкции которых использованы более чем один эллиптический цилиндр или несколько ламп в конфигурации с плотной упаковкой. На рис. 3.2 представлены два возможных примера такой конфигурации. Осветители с несколькими лампами дают более низкий КПД, чем соответствующие конфигурации с одной лампой, показанные на рис. 3.1, б и в. Тем не менее их нередко применяют в системах высокой мощности (или высокой энергии). В импульсных лазерах используют ксеноновые или криптоновые импульсные лампы при давлениях или от среднего до высокого значений (450—1500 мм рт. ст.). Световой импульс в этом случае создается разрядом через лампу электрической энергии, запасенной в батарее конденсаторов (заряженной соответствующим источником питания; рис. 3.3.). В электрическом контуре для уменьшения времени нарастания тока часто используется последовательно включенная катушка индуктивности. Разряд может возбуждаться при ионизации газа, заполняющего лампу, путем подачи высоковольтного импульса поджига на вспомогательный электрод вокруг лампы (параллельный поджиг; см. рис. 3.3,а). В другом способе предварительная ионизация может быть создана с помощью высоковольтного импульса, приложенного непосредственно к двум основным электродам лампы (последовательный поджиг; см. рис. 3.3, б). Как только газ в лампе ионизован, происходит интенсивная вспышка света, длительность которой определяется емкостью и индуктивностью контура, а также импедансом лампы (обычно длительность вспышки варьируется от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд).

Рис. 3.2. Схемы накачки с двумя лампами. а — двухэллипсная конфигурация; б — конфигурация с плотной упаковкой.

В непрерывных лазерах наиболее часто применяют криптоновые лампы высокого давления (1—8 атм) или вольфрам-иодные лампы. Питание постоянным током осуществляется от источника через подходящее балластное сопротивление (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Электрическое возбуждение импульсной лампы с использованием внешней системы поджига (а) и системы с последовательным включением поджига (б).

В этом случае для создания необходимой начальной степени ионизации к схеме должен быть подведен электрический импульс поджига, как правило, от последовательно включенного поджигающего устройства.

Рис. 3.4. Электрическое возбуждение непрерывной лампы.

Для того чтобы лучше почувствовать условия, которые имеют место на практике, приведем на рис. 3.5, а два спектра излучения ксеноновой импульсной лампы накачки, работающей при типичных плотностях тока, а на рис. 3.5, б представим спектры поглощения ионов в кристалле и ионов в кристалле (александрите). В обоих случаях это примесь, присутствующая в кристаллической матрице как трехвалентный ион, который поглощает падающий свет и который играт роль активного элемента. Для сравнения приведем на рис. 3.6 спектр излучения

непрерывной криптоновой лампы с плотностью тока (типичная рабочая плотность тока криптоновой лампы несколько выше, а именно .

Рис. 3.5. (см. скан) а — спектр испускания ксеионовой импульсной лампы при давлении 500 мм рт. ст.; б — сечеиие поглощения иона кристалле (сплошные кривые) и иоиа в александрите (штриховые кривые). На рис. 3.5, б левая шкала относится к кристаллу Nd:YAG и правая — к александриту. В случае александрита выбрано среднее из трех измеренных значений для поляризаций вдоль главных оптических осей а, Ь и с.

Заметим, что в непрерывной лампе, в которой плотность тока существенно ниже, излучение сконцентрировано в линиях криптона, сильно уширенных вследствие высокого давления газа. В импульсной лампе плотность тока значительно выше, поэтому в ее спектр

входит еще и широкая непрерывная компонента, обусловленная рекомбинационным излучением (рекомбинация ионов и электронов), а также тормозным излучением электронов, которые рассеиваются ионами при столкновениях. Таким образом, считается, что непрерывная составляющая пропорциональна произведению в то время как интенсивность линий излучения пропорциональна где плотности соответственно электронов и ионов в разряде.

Рис. 3.6. Спектр испускания непрерывной дуговой криптоновой лампы (внутренний диаметр 6 мм, длина дуги 50 мм, давление газа 4 атм, входная мощность

Поскольку в нейтральном разряде то в первом приближении непрерывная компонента спектра пропорциональна в то время как линейчатый спектр пропорционален Из сравнения рис. 3.5, б с рис. 3.5, а и 3.6 следует, что относительно широкие спектры ионов как так и позволяют достаточно полно использовать свет, испускаемый импульсной лампой, а также, как в случае кристалла и свет от непрерывной лампы. Заметим, что спектр поглощения редкоземельного элемента вроде меняется незначительно от матрицы к матрице, поскольку при таком поглощении происходят электронные переходы между внутренними оболочками атома. Поэтому спектр кристалла можно рассматривать как типичный пример спектров других материалов, легированных неодимом, например широко используемое стекло с неодимом (ионы в стеклянной матрице). В случае когда используются примесные ионы переходных металлов, такие, как ионы где спектр определяется переходами внешних электронов, материал матрицы оказывает большее влияние на спектр. Однако спектр александрита похож на спектр рубина в кристалле

материала, который с самого начала развития лазеров играет важную роль и до сих пор широко используется. Заметим также, что спектр поглощения другого материала, а именно оба иона присутствуют в качестве примеси в кристалле причем играет роль активного иона), который становится все популярнее, более или менее соответствует суперпозиции спектров кристаллов Nd : YAG и александрита (скорректированных с учетом относительных концентраций обоих ионов в кристалле),