Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2.2.7. Твердотельные лазеры
Широкий класс лазеров составляют лазеры на основе конденсированных сред. К ним относят лазеры твердотельные, полупроводниковые и жидкостные. Впрочем этих лазеров так много, что их обычно выделяют в отдельные классы. Вот и мы поговорим отдельно о твердотельных, полупроводниковых и жидкостных.
Впервые стимулированное излучение в оптическом диапазоне спектра (красной области - 0.69 мкм) с твердым телом - рубином получено в 1960 г. Мейманом [ ]. В основе работы рубинового лазера лежит принцип работы трехуровневой схемы. Мы говорили о 4-х уровневой, так здесь уровни 1, 2, 3 присутствуют, но уровень 1 является основным, в таких случаях говорят о генерации в основное состояние.
Рубин - это твердое кристаллическое вещество. Основой его является корунд - диэлектрический кристалл окиси алюминия (Al2O3). Рубином он становится тогда, когда небольшую часть атомов Al в этом кристалле заменяют ионы хрома - Cr3+. Содержание атомов Cr в кристалле невелико (0.05%). В рубине, обычно употребляемом для лазеров, на каждый см3 кристалла приходится около 10+19 атомов Cr. Это составляет 10-4 от полного числа атомов. И тем не менее именно при добавлении хрома кристалл принимает красный, свойственный рубину цвет, что обусловлено расположением энергетических уровней хрома в рубине. Структура уровней хрома показана на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Энергетический спектр
примесных атомов хрома в рубине
Из рисунка видно, что имеется основное состояние Е1 и два возбужденных состояния Е2а и Е2б. Это узкие уровни: переходы между ними и уровнем Е1 и используются для генерации света. Основной уровень Е1 в действительности обладает сложной структурой, но мы не будем об этом говорить. Наряду с узкими уровнями Е1, Е2а и Е2б, имеются две сравнительно широкие полосы энергий Е3 и Е4. Длина волны излучения, соответствующая переходам между уровнями Е2 -- Е1, около 700 нм. Это красный свет. Переходы между уровнями полосы Е3 и уровнем Е1 лежат в зеленом интервале спектра, а переход E4 -- Е1 - в голубом.
Если атом хрома возбудить, переведя его из основного состояния в полосу Е3 или Е4, то за очень короткое время (10-8 с) он перейдет из этих полос на один из уровней Е2. При переходе на уровень Е2 атом хрома не излучает. Его энергия тратится на возбуждение колебаний кристаллической решетки рубина. Возможность возвращения атома из полос Е3 и Е4 снова на уровень Е1 хотя и существует, но вероятность этого перехода очень мала по сравнению с вероятностью переходов на уровни Е2а и Е2б. На уровнях Е2 атом "живет" около 1 мс, что по атомным понятиям является очень большим временем. Такое большое время жизни позволяет накапливать атомы на уровнях Е2 . И если достаточно быстро и эффективно осуществлять накачку с уровня Е1 на уровни Е3 и Е4, то на уровнях Е2 окажется более половины всех атомов хрома. Т.е. реализуется инверсия между уровнями Е2 и Е1 .
Накачку осуществляют внешней лампой, которую так и называют - лампа накачки, которая работает в импульсном режиме с длительностью около 1 мс. В соответствии с этим рубиновый лазер излучает импульс когерентного света, длительностью несколько меньшей 1 мс, т.к. нужно некоторое время для создания инверсной населенности и преодоления порога, вызванного потерями в резонаторе. Генерация будет длиться до тех пор, пока интенсивность света лампы-вспышки не станет меньше пороговой величины. На самом деле лазерный импульс имеет сложную структуру, состоящую из множества отдельных импульсов генерации длительностью 1 мкс каждый, следующих с интервалом 1 - 10 мкс. Скорость повторения вспышек лампы-накачки определяется временем, необходимым для охлаждения лазерного рубинового стержня, и составляет обычно несколько импульсов в секунду. Типичные импульсные мощности рубинового лазера в этом режиме составляют десятки кВт со стержня длиной 20-25 см и диаметром 1,5 см. Основным рабочим переходом является переход с длиной волны 694.3 нм.
В качестве резонатора использован самый распространенный ныне резонатор Фабри-Перо с двумя плоскопараллельными зеркалами (другое название - "резонатор открытого типа"). На рис. 2.13 приведена типичная схема твердотельного лазера.
Рис. 2.13 Блок-схема рубинового лазера
На этом рисунке МД - модулятор добротности резонатора, позволяющий получать короткие импульсы с высокой импульсной мощностью. В настоящее время такие режимы наиболее широко используются. В состав модулятора добротности входит ячейка Поккельса (оптический затвор), которая оптически закрыта до определенных плотностей потока световой энергии, а при превышении порога - открывается. При снижении интенсивности ниже порога - она вновь оптически непрозрачна. Вторым элементом модулятора добротности является призма Глана (поляризатор), выделяющая одну из компонент. При отсутствии МД - реализуется обычный режим моноимпульсной генерации. Существуют еще режимы с синхронизацией мод (в том числе с самосинхронизацией), режим усиления и т.д.
Рубиновый лазер в настоящее время используется не так активно, как ранее. Его заменили с большей эффективностью другие твердотельные и полупроводниковые лазеры. Вместе с тем в задачах оптики атмосферы, в том числе и нашем Институте оптики атмосферы этот лазер до сих пор используется, в частности, для зондирования паров воды. В медицине этот лазер широко используется в офтальмологии, в частности, с его помощью приваривают сетчатку глаза. Несколько таких установок работают в клиниках г. Томска.
Вторым типом твердотельных лазеров был лазер на основе неодимового стекла с длиной волны излучения 1.06 мкм, созданный в 1961 г. Снитцером [ ]. Здесь в обычное стекло введены атомы неодима. И если рубиновый лазер излучает красный свет (0.69 мкм), то неодимовое стекло дает ИК- излучение с длиной волны 1.06 мкм. Неодимовое стекло обладает рядом преимуществ перед рубином - изготовить однородный стержень из неодимового стекла проще, чем из рубина. Его можно сделать существенно больших размеров как по длине, так и по сечению. Так известны стержни с длиной до метра и толщиной до 5 см. Большая у него по сравнению с рубином и оптическая прозрачность, что важно для оптической накачки. Но в то же время прочность рубина существенно больше. Принцип работы лазера на стекле с неодимом тот же, что и рубинового лазера. Работать лазер может как в импульсном, так и непрерывном режимах. Мощность излучения в непрерывном режиме достигает сотен Вт, а энергия в импульсе тысяч джоулей.
Этот лазер относят к классу, так называемых технологических лазеров. Он широко используется в лазерной сварке и резке различных материалов, для оптической накачки других активных сред. Наряду с газовым СО2 лазером, неодимовый лазер используется в "силовой" медицине как основа лазерного скальпеля.
Фотоэлементы.
Простейшими фотоэмиссионными приемниками являются вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ). В вакуумных ФЭ фотокатод может быть просто нанесен на внутренние поверхности вакуумного баллона. Напряжение питания составляет несколько сотен вольт, а темновые токи не превышают 0.1 мкА. Газонаполненные (инертным газом при давлении в несколько мм рт.ст.) ФЭ обладают большей чувствительностью (в 5 -10 раз), но более инерционны, чем вакуумные ФЭ. Типичная схема включения ФЭ приведена на Рис. 4.4.
Рис. 4.4. Принципиальная схема включения ФЭ.
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)
Наиболее чувствительными фотоэмиссионными приемниками являются ФЭУ. Принцип их работы заключается в использовании явления вторичной электронной эмиссии, возникающей при последовательной бомбардировке электронами ряда эмиттеров, каждый из которых находится под большим напряжением, чем предыдущий. Лавинообразный процесс, роста числа электронов, приводит к значительному увеличению тока на выходе ФЭУ, по сравнению с первичным фототоком катода Io. Если положить коэффициент вторичной электронной эмиссии в одинаковым для всех динодов, то:
I вых. = Ioвn = IoM , (4.9)
Рис. 4.5. Принципиальная схема включения фотоумножителя.
где M - коэффициент усиления ФЭУ. Именно благодаря большим значениям M ФЭУ нашли широкое применение для регистрации слабых световых потоков. Спектральная характеристика ФЭУ определяется типом фотокатода, а временное разрешение, как правило, не хуже 10-7 сек. Важно, что ФЭУ обладают большим линейным диапазоном (в зависимости тока от освещенности) составляющим несколько порядков. Типичная схема включения ФЭУ приведена на Рис. 4.5.
Как в рассмотренной схеме, так и в предыдущей схеме включения ФЭ важно подобрать правильное соотношение между сопротивлением нагрузки и параметрами последующей цепи. Да, с увеличением Rн сигнал на управляющей сетке усилителя будет возрастать, однако увеличивать Rн 1011 - 1012 Ом нежелательно, так как:
- во-первых -при этом возрастают и шумы (дробовые, тепловые линейно с Rн),
- во-вторых - трудно обеспечить высокостабильное сопротивление большого номинала,
- в-третьих - сопротивление нагрузки не должно шунтироваться сопротивлением утечки Rc (оно выбирается на порядок большим Rн).
Оптическая схема ОЭУ.
Задача оптической схемы эффективно собрать на чувствительную площадку ФП поступающий (прошедший через некоторую среду) оптический сигнал, причем с минимумом приема фоновых сигналов. В ОЭУ активного типа ОС состоит из двух частей - передающей и приемной. ФП при этом рассматривается как составная часть оптической системы, с одной стороны, и электронной части ОЭУ, с другой. В случае активного метода работы ОЭУ (например, случай лидарной системы для зондирования атмосферы, дальномеры и т.д.) оптическая система ОЭУ должна вначале сформировать требуемый пучок излучения, направляемый к исследуемому объекту и уже затем завести его в ФП. В ОЭУ пассивного действия оптическая схема (ОС) выполняет лишь одну функцию - заведения излучения на ФП. Остановимся кратко на отдельных элементах ОС.
Объектив.
Служит для сбора лучистой энергии и образования изображения наблюдаемого объекта (или пространства объектов). Лучистый поток, собранный объективом, может непосредственно направляться на ФП.
Компенсатор.
Для осуществления точного наведения на излучатель желательно компенсировать это перемещение. Для этого и служат компенсаторы. Это такие элементы - поворотом или вращением которых удается осуществить требуемое перемещение изображения излучателя к центру поля зрения. В качестве компенсаторов применяют плоскопараллельные пластинки, вращающиеся или поступательно перемещающиеся вдоль оптической оси оптические клинья и другие оптические элементы. Применение компенсатора в ОЭУ позволяет проводить измерения так называемым нулевым методом (например, двухлучевой метод).
Анализатор.
Для получения информации о свойствах излучателя иногда необходимо провести анализ закона распределения освещенности в его изображении. В одних случаях целью этого анализа является определение энергетического центра тяжести изображения, в других необходимо выявить периодичность пространственной структуры изображения и т.д. Образование оптического сигнала, параметры которого определенным образом связаны с параметрами излучателя, производится с помощью анализатора изображения. Поскольку полученный на выходе анализатора оптический сигнал должен быть преобразован в ФП в электрический, являющийся функцией времени, оптический сигнал также должен быть функцией времени. Это достигается либо путем периодического изменения прозрачности анализатора, либо сканированием изображения. Используют чаще всего амплитудные, либо амплитудно-фазовые анализаторы.
Конденсор.
Для улучшения соотношения сигнал/шум в приемной ОС используют, как правило, еще один элемент - конденсор (короткофокусная линза, система линз, либо система линз и зеркал), обеспечивающий концентрацию светового потока. Его основное назначение в данном случае - уменьшение площади засветки чувствительного слоя ФП.
Оптический фильтр.
Оптический фильтр присутствует практически в любом ОЭУ. С его помощью выделяется излучение от объекта, отсекая иные фоновые засветки. Как правило, фильтры носят либо нейтральный характер (линейная зависимость пропускания от длины волны), либо селективный (с резкой зависимостью пропускания от длины волны). Существуют и активные фильтры. Часто оптические фильтры используют и просто как ослабители излучения, для предотвращения перегрузок ФП (например, ФЭУ).
Выбор фильтра производится с учетом ряда факторов, важнейшим из которых является стремление подобрать такую зависимость T(), относительно спектральных зависимостей источника излучения и ФП, чтобы отношение сигнал/шум на выходе ФП было максимальным.
Интерференционные фильтры.
Одной из разновидностью полосовых фильтров являются интерференционные (ИТ-фильтры). Используя принцип интерференции света, удается создавать фильтры с очень узкой полосой пропускания. Простейший интерференционный фильтр состоит из тонкой пластинки прозрачного диэлектрика (подложки), покрытой с обеих сторон полуотражающими слоями металла. Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя l кратна /2 . Из-за потерь в полуотражающих слоях и диэлектрике коэффициент пропускания сильно уменьшается.
Поляризационные фильтры.
Поляризационные фильтры также относятся к типу полосовых фильтров, но у них полоса еще уже, чем у ИТ-фильтров (десятые нм).