ЛЕКЦИЯ N 15

§ 4. Оптический резонатор

Для превращения сверхлюминисценции  в генерацию лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой  за счет оптического резонатора. Простейший  оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу (см. рис. 15.3).

Рис. 15.3

Между этими зеркалами расположена активная среда, находящаяся в состоянии с инверсией населенности.

Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают лишь короткие вспышки сверхлюминисценции.  Фотоны, испущенные вдоль оси резонатора, многократно проходят через активную среду за счет отражений от зеркал. При этом они вызывают вынужденное излучение, которое увеличивает интенсивность световой волны.  В наиболее благоприятных условиях находятся те фотоны, для которых выполняются условия возникновения стоячих волн.

Стоячие электромагнитные волны в оптическом резонаторе возникают при выполнении условия, аналогичного условию возникновения стоячих волн в струне, закрепенной с двух концов (Ч. 3, лекции N 6, § 5), т.е.:

здесь l - расстояние между зеркалами; n - целое число;   λ_n - резонансная длина волны.

В оптическом резонаторе l >> λ, поэтому целое число n принимает большие значения. При этом в пределах естественной ширины спектральной линии оказываются несколько резонансных длин волн - несколько мод оптического резонатора. Эту ситуацию иллюстрирует следующий рисунок, где изображена зависимость интенсивности излучения I от частоты ω для активной среды, находящейся в оптическом резонаторе.

Рис. 15.4

Существуют способы выделения одной из мод и подавления остальных. Такой одномодовый режим генерации позволяет достичь наивысшей когерентности излучения.

Таким образом, оптический резонатор формирует лазерное излучение, направленное строго по оси резонатора и обладающее высокой степенью когерентности.

Для того, чтобы выпустить лазерное излучение из резонатора, одно из зеркал делают полупрозрачным.

 

§ 5. Способы создания инверсии населенности

Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. В зависимости от структуры активной среды используются различные виды накачки.

В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом  случае для создания инверсии населенности активной среды необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов или молекул активной среды. Такая трехуровневая схема накачки была реализована в первом твердотельном лазере, созданном в 1960 г. Т. Мейманом (США). Активной средой в этом лазере являлся кристалл рубина, отполированные торцы которого служили зеркалами оптического резонатора. Один торец покрывался непрозрачным слоем серебра, слой серебра на другом торце пропускал 8% упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al₂O₃ ), в которой (0,03 ÷ 0,05)% атомов алюминия заменены трехвалентными ионами хрома  Cr³⁺.

На  рисунке 15.5 изображена энергетическая схема иона хрома, который и является основным элементом активной среды.

Рис. 15.5

Перевод электронов с уровня  E₁ на уровни широкой полосы  E₃ (накачка) осуществляется за счет интенсивного облучения рубина некогерентным светом мощной импульсной лампы. В возбужденном состоянии  E₃ ионы хрома проводят около 10^-7с, а затем отдают часть энергии колебаниям решетки и электроны ионов хрома без излучения света переходят на уровень E₂.

Этот уровень метастабильный, так как время жизни иона хрома в состоянии  E₂ порядка  10^-3с, что на четыре порядка (т.е. в десять тысяч раз) больше времени жизни в состоянии E₃. Большое время жизни электрона на уровне  E₂ позволяет перевести достаточное число ионов хрома в это состояние. Для создания инверсии населенности необходимо, чтобы число ионов хрома в состоянии  E₂ было больше, чем в основном состоянии E₁, т.е. требуется возбудить больше половины ионов хрома.

На рисунке  15.6 изображена четырехуровневая система.

Рис. 15.6

Ее преимущество перед трехуровневой системой состоит в том, что E₃ - нижний рабочий уровень лазерного перехода расположен выше основного уровня E₁. По этой причине в условиях термодинамического равновесия он может быть населен, в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана, значительно слабее, чем  уровень E₁. Здесь состояние с инверсией населенности достигается, когда населенность метастабильного уровня   E₂ больше населенности нижнего рабочего уровня E₃.

Таким образом, на основном уровне может оставаться больше половины атомов.

Наиболее эффективным четырехуровневым ионом является трехвалентный ион неодима Nd³⁺, вводимый в состав специальных сортов стекла.

Оптическую накачку применяют, главным образом, в твердотельных лазерах и лазерах на стеклах, активированных неодимом.

В газовых лазерах более эффективны другие методы накачки: электрический разряд, химические реакции, тепловая накачка в газодинамических лазерах.

В полупроводниковых лазерах важнейшим способом накачки является инжекция носителей через p-n переход. В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковом лазере используются излучательные квантовые переходы между энергетическими зонами: зоной проводимости и валентной зоной полупроводникового диода.

Генерация лазерного излучения возникает в слое, примыкающем к p-n переходу при пропускании через диод большого прямого тока. Плотность тока, соответствующего началу генерации, обычно порядка .

Оптическим резонатором в полупроводниковом лазере служат две плоскопараллельные грани, расположенные перпендикулярно плоскости p-n перехода. Коэффициент отражения этих граней около 30%. Схема такого лазера изображена рисунке 15.7.

          Рис.15.7

В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой для создания инверсии населенности используют пучок электронов с энергией

10⁴-10⁵ эВ.

При замедлении этих электронов за счет ионизации в полупроводнике образуются избыточные носители заряда.