§ 2. КОНСТРУКЦИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Первый Не — Ne-лазер Джавана с сотрудниками содержал внутренние диэлектрические зеркала и возбуждался напряжением высокой частоты (около 30 МГц). Его принципиальная схема приведена на рис. 8.5. Разрядная трубка длиной около была наполнена смесью гелия и неона под общим давлением примерно 1 мм рт. ст. Снаружи на трубке были размещены цилиндрические электроды, соединенные с генератором высокой частоты. Мощность генератора составляла несколько десятков ватт. Число Френеля (а — радиус трубки, — ее длина) было равно 200, следовательно, дифракционные потери невелики. Два плоских диэлектрических зеркала, образующие типичный резонатор Фабри — Перо, имели очень высокие коэффициенты отражения близкие к единице. Лазер Джавана работал в ближнем инфракрасном диапазоне (1,15 мкм); его мощность

Рис. 8.5. Принципиальная схема первого гелий-неонового лазера, созданного Джаваном с сотрудниками.

составляла около 1 мВт. Чтобы увидеть пучок лазера, приходилось использовать электронно-оптический преобразователь. В нормальных условиях глаз человека не видит излучения с длиной волны 1 мкм. Через несколько лет после экспериментов Джавана было обнаружено, что человеческий глаз может реагировать на интенсивное излучение неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм. Если мощный импульс инфракрасного излучения от неодимового лазера направить на белый экран, человеческий глаз отчетливо регистрирует свет. Создание лазеров не только расширило классический диапазон видимого излучения, но и привело к рождению нового раздела оптики — нелинейной оптики; с некоторыми ее проблемами читатель может ознакомиться в последующих главах этой книги.

Условия возбуждения лазерной генерации в газе оказались более критичными, чем в первом рубиновом лазере Меймана. Потери энергии на один проход не должны превышать 1%. Таким образом, лазеры потребовали создания зеркал особенно высокого качества: с максимальным коэффициентом отражения и минимальным собственным поглощением. Подробное обсуждение этого интересного вопроса выходит за рамки данной книги. Лазерные зеркала, как правило, диэлектрические: многослойные диэлектрические покрытия (например, наносятся на стеклянную или кварцевую подложку. Толщина слоя выбирается равной длины отражаемой волны. Наносят от нескольких слоев (в этом случае коэффициент отражения достигает примерно 50%) до нескольких десятков чередующихся слоев из материалов с высоким и низким показателем преломления. Благодаря последовательным отражениям от границ слоев коэффициент отражения возрастает. Собственные потери в слоях очень малы.

Электрические разряды в газе, возбуждаемые токами высокой частоты, оказались недостаточно стабильными, к тому же очень трудно было контролировать величину мощности, подводимой к трубке. Существенным шагом в развитии газовых лазеров был

Рис. 8.6. Разрядная трубка для Не — Ne-лазера, заканчивающаяся пластинками, наклоненными под углом Брюстера.

переход на разряд постоянного тока, а также разработка в 1962 г. Ригродом с сотрудниками [5] разрядной трубки, ограниченной с торцов пластинками, наклоненными под углом Брюстера к оси трубки (рис. 8.6).

Распространяясь внутри резонатора, световой пучок многократно проходит через окна Брюстера и приобретает полную линейную поляризацию. Напомним, что если свет падает на стекло под углом Брюстера, то отраженный пучок линейно-поляризован, а проходящий поляризован лишь частично. Только установка стопы таких пластинок обеспечивает полную линейную поляризацию проходящего пучка. Кроме того, из известных формул Френеля следует, что полностью поляризованный падающий пучок (у которого вектор Е находится в плоскости падения) не дает отражения. Таким образом, брюстеровские окна разрядной трубки играют двоякую роль: они обеспечивают линейную поляризацию лазерного пучка и исключают потери энергии при прохождении света из разрядной трубки к зеркалу и обратно. Благодаря такому решению оказалось возможным разместить зеркала за пределами разряда. Это позволяет заменять зеркала и подбирать тип резонатора, отвечающий назначению лазера (например, два плоских зеркала, два вогнутых зеркала и т. п.). Особенно удобным для газовых лазеров оказался резонатор, близкий к конфокальному (фокусы обоих зеркал располагаются вблизи середины разрядной трубки). Он вносит малые дифракционные потери, а его юстировка очень проста. Питание разрядной трубки постоянным током дало возможность регулировать силу тока в широких пределах. Это позволяет подобрать оптимальные условия возбуждения, т. е. получить от лазера максимальную мощность светового пучка. Чаще всего в трубку впаивают холодные алюминиевые электроды, к которым подключают источник питания с напряжением порядка нескольких киловольт. Типичная сила тока в разряде составляет примерно от 8 мА (для небольших лазеров с длиной разрядной трубки около 20 см) до 100 мА (для Не — Ne-лазера, длина которого составляет несколько метров, а выходная мощность — около Однако введение электродов внутрь трубки приводит к крайне нежелательному явлению распыления

Рис. 8.7. Лазерная разрядная трубка с холодными электродами и пылевыми ловушками, разработанная в отделе квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича. Срок службы трубки не меньше 8000 часов.

алюминия и со временем — к затуханию лазерной генерации. Чтобы воспрепятствовать этому, электроды подвергают перед впайкой специальной подготовке, а трубку снабжают пылевыми ловушками. На рис. 8.7 показана разрядная трубка с алюминиевыми электродами и пылевыми ловушками, сконструированная в отделе квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича в Познани. Срок службы трубки 10 000 часов. Успех в достижении лазерной генерации в большой степени зависит от чистоты окон Брюстера. Если между концом трубки и зеркалом отсутствуют экраны, естественный процесс осаждения пыли в течение одних суток приводит к значительному спаду, а иногда и прекращению лазерной генерации. На рис. 8.8 показано изменение во времени мощности Не — Ne-лазера в случае, когда окна Брюстера не были защищены. Сразу же после тщательной очистки окон пыль снова

Рис. 8.8. Изменение мощности гелий-неонового лазера во времени, начиная с момента очистки окон Брюстера, замыкающих разрядную трубку: X — спад мощности после очистки сухой ватой; О — после промывки спиртом и очистки мягкой тканью.

собирается на них благодаря притяжению электростатических зарядов, возникших в процессе очистки; мощность лазера уменьшается на 10—20% в течение нескольких минут. В дальнейшем спад мощности происходит значительно медленнее, поскольку осаждение пыли на окна определяется естественной запыленностью воздуха в лаборатории.

В мае 1962 г. Уайт и Риджен [6] с помощью трубки с окнами Брюстера впервые получили непрерывную генерацию в видимой области. Пучок красного света на длине волны 6328 А излучался из разрядной трубки длиной 120 см и диаметром 7 мм, заполненной смесью гелия и неона.

Оптический резонатор лазера содержал диэлектрические зеркала с максимальным коэффициентом отражения на указанной длине волны. Создание газовых лазеров, излучающих в красной области спектра, стало важным этапом в развитии квантовой электроники. Прежде всего была показана возможность непрерывной генерации не только в инфракрасном, но и в видимом, и ультрафиолетовом диапазонах. Поэтому работа Уайта и Риджена была чрезвычайно важна не только сама по себе, но и послужила стимулом для поисков новых лазерных переходов. Действительно, вскоре после этого были созданы лазеры, генерирующие все цвета видимого излучения.