Энергия, Юсм-

15 101

Рис. 4.3. Развернутая схема основных энерге: тических уровней ионов Сг+ в решетке AI2O3

"2

гзш-

гл

Лазеры на указанных выше активных средах работают, как правило, в импульсном режиме с оптической накачкой, в качестве которой используется световая энергия импульсных или непрерывных ламп [48]. Сравнительные характеристики лазеров на рубине, стекле, активированном неодимом и гранате, приведены на рис. 4.1, 4.2 и в табл. 4.1.

Газовые СОг-лазеры работают на длине волны 10,6 мкм. Их основное значение для лазерной локации состоит в том, что они позволяют создавать достаточно мощные и экономичные передающие устройства с очень высокой монохроматичностью излучения. Эта особенность СОг-лазеров делает их незаменимыми при создании различных лазерных доплеровских систем с приемными устройствами гетеродинного типа. Важным достоинством СОг-лазеров является также то, что они могут эффективно работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Рассмотрим подробнее принципы действия, основные режимы работы и наиболее типичные характеристики излучения перечисленных лазеров.

1. Рубиновый лазер. Активный элемент рубинового лазера представляет собой кристалл а-корунда (AI2O3) с небольшой примесью конов хрома. Концентрация примеси хрома может быть различной, изменяясь от сотых долей до нескольких процентов по весу СггОз относительно АЬОз. Для генерации обычно используются так называемые розовые кристаллы рубина с весовой концентрацией СггОз около 0,05%, что соответствует концентрации l,6•10 ионов хрома в одном кубическом сантиметре.

Схема уровней энергии ионов хрома в рубине изображена на рис. 4.3. Рабочим переходом является переход между уровнями

и Мг. Состояние Е является метастабильным и имеет при комнатной температуре время жизни около 3 мс. Оно состоит из двух близких подуровней Е и 2А, расстояние между которыми составляет 29 см-. Переходам между этими подуровнями и основным уровнем Мг соответствуют линии излучения Ri я Р2 с длиной волны 0,6943 и 0,6929 мкм при температуре 300 К. При уменьшении температуры кристалла линии Ri и R2 сужаются и смещаются в более коротковолновую часть спектра. В области температур от 20 до 80°С сдвиг линии Ru составляет около 6,5-10" нм (т. е. 4000 МГц) на 1°С. Поэтому в некоторых случаях (например, чтобы излучение попадало в «окно» прозрачности атмосферы [48]) требуется введение температурной стабилизации активного лазера. Необходимо

отметить, что с повышением температуры снижается и энергетический выход рубинового лазера (35].

Излучение накачки поглощается рубином в двух широких полосах, соответствующих переходам активных атомов из основного состояния Мг в состоянии *Fi я *р2 (см. рис. 1.3). Центральные длины волн этих полос поглощения равны 0,4100 и 0,5600 мкм соответственно, а ширина каждой из них составляет около 100 нм.

Квантовая эффективность люминесценции рубина для указанных полос поглощения::с;70%. Квантовая эффективность в Р-линиях при возбуждении в длинноволновой полосе составляет приблизительно 52%. Помимо синей и зеленой полос в рубине имеется еще широкая полоса поглощения в ультрафиолетовом участке спектра с центральной длиной волны около 250 нм. Однако квантовая эффективность люминесценции для этой полосы сравнительно невелика, и поэтому вклад ее (с точки зрения накачки) мал.

Рубиновые лазеры обеспечивают излучение практически во всех временных режимах работы: в режиме свободной генерации, модулированной добротности и синхронизации мод [54, 39]. Каждый из указанных режимов работы реализуется направленным воздействием на динамику формирования импульса излучения в резонаторе лазера и имеет свои отличительные особенности. В режиме свободной генерации обеспечиваются наиболее высокие уровни энергии излучения при наибольших значениях- КПД, в режиме модулированной добротности - наиболее высокие уровни импульсной мощности излучения при несколько меньших значениях КПД, в режиме синхронизации мод - сверхвысокие уровни импульсной мощности излучения при сверхкоротких импульсах.

В режиме свободной генерации излучение лазера представляет собой хаотическую последовательность импульсов («пичков»). Длительность отдельных «пичков» составляет величину порядка 0,5 ... 1 • 10" с, а интервал между ними 1... 10-10- с.

Энергия излучения рубиновых лазеров в режиме свободной генерации лежит в пределах от долей джоуля до сотен джоулей [44]. Однако, несмотря на значительную величину выходной энергии, режим свободной генерации в силу нерегулярности высвечивания импульсов излучения и низкого (--10 Вт) значения импульсной мощности практически не используется в лазерной локации.

Для обеспечения регулярности и детерминированности излучаемого сигнала, а также для увеличения его импульсной мощности используется режим модуляции добротности резонатора лазера. Получаемые при этом импульсы света имеют длительность 10"... 10- с при пиковой мощности излучения 10 ... 1000 МВт.

Принцип действия лазеров с управляемой добротностью основан на сокращении времени излучения посредством накопления активных атомов на метастабильном уровне. Это достигается искусственным уменьшением добротности резонатора во время действия импульса накачки, в результате чего условия самовозбуждения не выполняются. При достаточной мощности накачки на метастабильном уровне можно накопить почти все атомы активного вещества.

6/т nodmuta импульсной /ииты

бпок подтиъа импульсной паты

Впок питания зшпЬора f"*

бпок поОтига импульсной лампы

Рис. 4.4. Схемы лазеров с управляемой добротностью резонатора:

"РИММОЙ; б-затвором, основанием на эффекте Поккельса; s - пассивным затвором; /-зеркало резонатора; 2 кварцевый осветитель; 3 - активный элемент™ ЗТ"пп„\Т - «РВДОЩаяся призма (оптико-механн "еский з

твор), «-призма Глана; 7 - кристалл KDP; «-просветляющийся (фототропнын) затвор

По окончании действия накачки быстро (10~8 с) восстанавливается нормальная добротность резонатора, и возбужденные атомы переходят на нижний уровень, излучая мощный короткий импульс света.

Для управления добротностью оптического резонатора применяются различные методы: механические, электрические, пассивные и т. д. [39]. На рис. 4.4 изображены наиболее типичные схемы лазеров с управляемой добротностью резонатора. 162

Конструкция лазеров с модулированной добротностью может быть одноэлементной при использовании одного активного элемента или многокаскадной, когда один элемент выполняет функции задающего генератора, а остальные - функции усилителей, или же собирается решетка лазеров.

Основные параметры одноэлементных лазеров на рубине приведены в табл. 4.2. Энергия их излучения лежит в пределах 0,1 ... 2 Дж, что определяется максимально реализуемыми на практике размерами активных элементов, диаметр которых по опубликованным данным не превышает 14 мм, а длина -250... 300 мм [10, 39]. Кроме того, величина максимальной энергии, снимаемой с активного элемента, определяется допустимой плотностью мощности излучения с торца активного элемента, выбираемой из условия обеспечения при-е.млемой долговечности кристаллов рубина [10, 24, 39].

Для дальнейшего увеличения энергии и выходной мощности излучения лазера на рубине используются многокаскадные системы типа «задающий генератор-усилитель».

Существуют различные типы усилителей лазерного излучения, отличающиеся размерами активной среды и способом формирования потока излучения через усиливающую среду - однонаправленные усилители бегущей волны (последовательные и параллель-ц.ые), многопроходные усилители, усилители с управляемым резонатором, регенеративные усилители i[ 10].

Однонаправленные усилители бегущей волны, наиболее широко используемые в настоящее время, представляют собой усиливающую среду большой протяженности, через которую усиливаемое излучение распространяется в одном направлении. Некоторые технические характеристики многоэлементных лазеров, выполненных по схеме «задающий генератор-усилитель бегущей волны», приведены в табл. 4.2.

При необходимости реализовать на выходе системы высокую частоту повторения световых импульсов, превышающую частоту следования импульсов отдельного лазера, используется решетка с несколькими параллельно включенными лазерами, лучи которых сводятся в один пучок с помощью оптических средств. Таким образом, можно увеличить частоту следования импульсов излучения в несколько раз в зависимости от количества используемых в решетке излучающих элементов.

Как правило, если не применять специальных мер, все образцы рубиновых лазеров работают в многомодовом режиме, характеризующемся одновременной генерацией большого числа типов колебаний, следствием чего является значительная (col ГГц) ширина спектра излучения [35].

Поскольку в ряде практических случаев требуется высокая монохроматичность излучения (~10 МГц), применяется режим селекции типов колебаний, основанный на создании в оптическо.м резонаторе лазера условий, при которых генерация развивается и происходит на одном, преимущественном типе колебаний. Путем

3 я о. s о л s и о о

1» 5

с; 5> а. а

а ш s

§ О

а Ч о

о о a к

§

с s s

e s s

s s s

ra S *

" 5 У a H 5 к

Ю •I-

Cfi о

Рис. 4.5. Переходы в четырехуровневой схеме (/, 2, 3,4 - уровни)

использования селектирующих оп1иче-ских элементов и направленного воздействия на кинетику развития генерации удается значительно (в 100 раз) уменьшить спектральную ширину линии излучения рубинового лазера [25].

Многомодовость излучения существенно влияет и на пространственные характеристики лазерного пучка. Предельный угол расходимости для основной моды ТЕМоо в случае круглых плоских зеркал составляет ф=1,83Я,/ радиан {d - диаметр пучка света). У мод более высокого порядка.дифракционная расходимость больше и, следовательно, увеличение числа генерирующих мод приводит к увеличению, угла расходимости излучения. У образца диаметром 1 см предельный угол расходимости должен составлять приблизительно 0,45. Однако на практике расходимость излучения, наблюдаемая для рубинового лазера даже в случае применения селекции поперечных мод и хороших кристаллов, в 20...30 раз превышает эту величину. Это связано прежде всего со значительным оптическим несовершенством кристаллов рубина -наличием в них центров рассеяния и изменением коэффициента преломления по сечению образца [39].

Большая угловая расходимость излучения рубиновых лазеров, которая не обеспечивает высоких значений пространственной яркости, в ряде случаев ограничивает область их применения в лазерных локаторах.

2. Неодимовые лазеры. Активный элемент второго типа твердотельных лазеров - стекло, активированное ионами неодима, представляет собой неорганический термопластический аморфный материал, полученный из окислов бора и борного ангидрида (борат-ные стекла), фосфора (фосфатные стекла) и т. д. [43, 31].

В качестве активаторов в стеклах можно использовать практп-чески все редкоземельные элементы. Однако наибольшей эффективностью обладает стекло с примесью неодима (Nd+), поскольку оно обеспечивает генерацию при комнатной температуре.

Многие достоинства неодимового стекла определяются особенностями энергетических состояний имеющихся в нем ионов неодима. Главная особенность состоит в том, что в отличие от рубина, энергетические переходы неодима соответствуют четырехуровневой схеме (рис. 4.5). Четырехуровневая схема отличается от трехуровневой тем, что стимулированное излучение в ней происходит при переходе активных частиц между уровнями 3 и 2, т которых уровень 2 расположен несколько выше основного уровня /. Для исключения заселения уровня 2 активными частицами, т. е. обеспечения условий создания инверсной населенности уровня 3 по отношению к уровню 2, должно соблюдаться условие Е2-EikT. Практически систему можно считать четырехуровневой, если