ft-

Оптическая ось

Направление излучения

Таблица 4.6

Угол расстройки

Рис. 4.8. Зависимость интенсивности излучения второй гармоники (в относительных единицах) от ориентации кристалла KDP. Ориентация кристалла KDP при фазовом синхронизме

лы характеризуются высоким оптическим качеством на больших апертурах и длинах, легко синтезируются, стойки к лазерному излучению. Кристаллы, выращиваемые из расплавов, наоборот, тверды,- негигроскопичны, хорошо выдерживают резкие изменения температуры, характеризуются высокой нелинейностью. В то же время их оптическое качество заметно уступают качеству водно-растворимых кристаллов, они более подвержены различным наведенным эффектам; стойкость их к лазерному излучению значительно ниже стойкости водио-растворимых кристаллов.

Эффективность генерации гармоники зависит от фазовых соотношений между основной волной и гармоникой внутри среды кристалла. Взаимодействие двух волн с различными частотами максимально, а следовательно, максирлальна и перекачка энергии от основной волны к гармонике, если их фазовые скорости равны, т. е. выполняется условие фазового синхронизма.

Нелинейный элемент для генерации второй гармоники представляет собой кристалл, вырезанный вдоль направления фазового синхронизма, при котором происходит эффективное преобразование излучения во вторую гармонику на всем протяжении распространения света в кристалле.

Направление синхронизма характеризуется углом синхронизма вс. В кристалле KDP для излучения рубинового лазера 9с = 50°49, для неодимового лазера 9с = 4Г31. На рис. 4.8 представлена зависимость интенсивности излучения второй гармоники (в относительных единицах) от ориентации кристалла KDP.

В общем случае показатели преломления зависят от угла распространения температуры н длины волны основного излучения. Изменение любого из этих параметров будет приводить к изменению синхронизма и, следовательно, к изменению эффективности преобразования. В связи с этим вводятся понятия угловой, температур-

Параметры неодимовых лазеров, работающих на длине волны второй гармоники (Х=0,53 мкм)

ной и спектральной ширины синхронизма, определяемые по уровню 0,5 интенсивности второй гармоники.

Уровень современной технологии пока не позволяет выращивать большие образцы с хорошими оптико-механическими характеристиками для большинства нелинейных кристаллов. Наиболее пригодным для практического использования при создании мощных (c/D 10 Вт) генераторов гармоник является кристалл KDP (дигидро-фосфат калия КНгРОл), хотя он и не обладает наибольшей эффективностью преобразования.

КПД преобразования в кристаллах КОД без применения специальных мер может достигать 15...20%. Использование систем формирования пространственной и временной структуры излучения основной волны позволяет поднять КПД преобразования до 70% и выше [10].

В табл. 4.6 представлены параметры некоторых типов мощных лазеров на стекле с неодимом, обеспечивающих излучение на длине золны 0,53 мкм.

Лазеры на гранате позволяют получать излучение на длине ВОЛНЫ второй гармоники как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При этом в импульсном режиме наилучшие результаты достигнуты в настоящее время при использовании кристаллов жодата лития, и в непрерывном - ниобата бария-натрия. В табл.

Знергия,см-

гооо

(oo°t)

1000

Рис. 4.9. Схема основных колебательных уровней молекулы СОг

4.6 приведены параметры лазеров на гранате, работающих на длине волны 0,53 мкм.

4. СОч-лазеры. Лазеры на двуокиси углерода наряду с достаточно высокими средними выходными мощностями обладают очень хорошей монохроматичностью излучения, что делает их практически незаменимыми в лазерных доплеровских локационных системах.

В отличие от ранее рассмотренных типов лазеров, в которые рабочие уровни образованы электронными состояниями в атомах, СОг-лазеры относятся к семейству молекулярных лазеров, а их рабочий переход образован колебательно-вращательными уровнями молекулы СОг. При этом электронные состояния атмов, составляющих молекулу, не изменяются при излучении кванта.

Схема основных колебательных уровней молекулы СОг показана на рис. 4.9 [16]. Основной лазерный переход с длиной волны излучения 10,6 мкм образован уровнями (00°1) и (10°0). Заселение верхнего рабочего уровня (OOl) происходит при электрическом разряде в СОг с добавлением N2 и Не благодаря эффективной передаче энергии от возбужденных молекул N2 (колебательный уровень у=1), а также благодаря быстрым каскадным переходам молекул СОг с верхних колебательных уровней, возбужденных соударениями с электронами, на долгоживущий уровень (00°1). Радиационное время жизни этого уровня составляет приблизительно 3 с, однако в результате столкновений молекул истинное время жизни оказывается равным 1 мс при давлении газовой смеси несколько мм рт. ст. и около 1 мкс при атмосферном давлении. Что же касается молекулы N2, то в силу ее симметрии она не имеет постоянного дипольного момента, поэтому ее колебание на уровне v=\ не сопровождается радиационным затуханием, а время жизни этого состояния превышает 0,1 с при давлении в несколько мм рт. ст. Все это приводит к тому, что коэффициент полезного действия СОг-лазера достигает 10% и более.

Каждый из колебательных уровней молекулы СОг расщеплен на вращательные подуровни, которые на рис. 4.9 не показаны. Вращательная энергия молекулы определяется вращательным квантовым числом /. Согласно правилу отбора, излучательные переходы между вращательными подуровнями различных колебательных уровней возможны только с изменением / на единицу. Переходы типа /-/-Ы обозначаются Р(/), а переходы /-/-1 имеют обозначение R(i). Наиболее сильное усиление наблюдается на линии Р(20) перехода (OOl) -(ЮО) с длиной волны 10,58 мкм [77].

Рис, 4.10. Схема высокостабильного СОг-лазера

Важной чертой СОг-лазера является малая ширина линии усиления на переходе (00°1) -(10°0). Однородное уширение линии усиления вызвано эффектом Доплера и при давлении в несколько миллиметров ртутного столба и рабочей температуре ЗООК составляет 50... 60 МГц. Это обстоятельство позволяет сравнительно просто создавать одночастотные лазеры, что весьма важно для лазерной доплеровской локации. В самом деле, при длине резонатора 1 м разность частот между соседними модами ргвпа 150 МГц, т. е. одновременная генерация двух продольных мод оказывается невозможной.

При высоких давлениях (больше 20 мм рт. ст.) общая ширина линии усиления значительно превышает доплеровскую и растет с увеличением давления приблизительно с градиентом 5 МГц/мм рт. ст.

СОг-лазеры с успехом могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Для доплеровской локации важна ширина спектра выходного лазерного излучения, а также возможность перестройки его частоты. Существующие передающие устройства на основе непрерывных СОг-лазеров выходной мощностью порядка 10 Вт обеспечивают ширину спектра в несколько килогерц (при измерении в течение интервала времени меньшего 1 с) даже без специальных схем подстройки частоты [65, 66]. Внешний вид лазера этого типа показан на рис. 4.10. Главным источником нестабильности частоты выходного излучения является изменение длины резонатора, вызванное изменениями температуры, вибрациями основания лазера, акустическими шумами, распространяющимися через воздух, и т. п. Поэтому для повышения стабильности частоты продольные стержни резонатора изготавливаются из материалов с малым коэффициентом температурного расширения; инвара, суперинвара [59]. Для гашения вибраций применяются прокладки из вязких материалов типа свинца, му-металла и др.

СОг-лазер может работать как на переходе (00°1) -(10°0) с длиной волны излучения 10,6 мкм, так и на переходе (004) - !(020) с длиной волны излучения 9,6 мкм. Выбор того или иного лсре?:ода, а также требуемого вращательного подуровня Р(/) или

Рис. 4.11. Традиционная схема СОг-лазера с перестройкой частоты излучения:

- разрядная трубка; 2 - дифракционная решетка; 3 -зеркало; - пьезокорректор; 5 - источник питания; 6 - блок подстройки частоты

/?(/) осуществляется, как правило, дифракционной решеткой (рис. 4.11), вместе с зеркалом 3 образующей резонатор.лазера. Для перестройки лазера с одного вращательного подуровня на другой изменяют ее угол наклона а. Подстройка частоты излучения в пределах данного вращательного подуровня ведется изменением длины резонатора с помощью пьезокорректора 4. Изменение длины резонатора на половину длины волны приводит к изменению частоты на

где L - длина резонатора.

При L=50 см получаем Av = 300 МГц, что позволяет осуществлять частотную перестройку не только в пределах одного вращательного подуровня, но и между соседними вращательными подуровнями.

Практически без у.худшения монохроматичности выходного излучения лазера можно увеличить его мощность до 50 Вт и более, используя многоходовую схему [85], показанную на рис. 4.12. Поскольку длина резонаторных стержней 4 не увеличивается по сравнению с одноходовой схемой, показанной на рис. 4.11, стабильность частоты излучения почти не ухудшается. В то же время, мощность выходного излучения увеличивается. Внешний вид такого лазера показан на рис. 4.13. Его резонаторные стержни изготовлены из специального термостабнльного кварца с температурным коэффициентом расширения 2-ЮС-. Относительная нестабильность частоты его излучения составляет Ю-** при измерении за время 0,1 с и приблизительно 10- при измерении за более длительное время.

Весьма перспективными для лазерной локации являются импульсные СОг-лазеры с поперечным разрядом и стабилизацией час-

Рис. 4.12. Многоходовая схема резонатора СОг-лазера:

/ - разрядные трубки; 2 - глухие зеркала; 3 - выходное зеркало; 4 - резонаторные стержни

Рис. 4.13. Схема высокостабильного СОг-лазера, построенного по многоходовой схеме

тоты выходного излучения. Их характерной особенностью является генерация мощных коротких (несколько микросекунд) лазерных импульсов при сохранении когерентности излучения за время длительности импульса. Применение инициирующего монохроматнчно-го лазерного излучения позволяет обеспечить нестабильность частоты в импульсе в пределах 50 кГц.

- Наконец, необходимо остановиться отдельно на лазерных гетеродинах. К ним предъявляются два основных требования: широкий (до 1 ГГц) диапазон перестройки и высокая стабильность частоты излучения. Первое требование приводит к необходимости уменьшения длины резонатора с одновременным увеличением ширины спектральной полосы усиления активной среды. При давлениях газовой смеси в несколько мм рт. ст. ширина полосы усиления составляет всето 50... 60 МГц. Для обеспечения ширины полосы усиления в 1 ГГц необходимо увеличить давление в смеси до 200 мм рт. ст. Однако при таком давлении оказывается возможным сохранить самостоятельный разряд только в узкой (капиллярной) трубке диаметром около 1 мм. Малые поперечные размеры разрядной трубки, в свою очередь, ухудшают условия охлаждения рабочей смеси. Последнее весьма нежелательно, так как увеличение ее температуры приводит к уменьшению усиления и срыву генерации. Во избежание этого разрядные трубки современных лазерных гетеродинов делают из окиси бериллия ВеО, которая обладает очень хорошей теплопроводностью. Примером может служить лазерный гетеродин фирмы Hughes (США), показанный на рис. 4.14 [57]. Его длина составляет 15 см, а диапазон перестройки частоты - ±600 МГц. (1,2 ГГц).

5. Перспективные лазеры. Начиная с момента создания твердотельных лазеров и по настоящее время происходит непрерывное наращиванне мощности их излучения. Однако, если в первые годы темпы роста были для всех основных типов твердотельных лазеров примерно одинаковы, то в последнее время произошло заметное снижение темпов роста мощности излучения лазеров на рубине и гранате по сравнению с лазерами на стекле с неодимом. Это объясняется тем фактом, что возможности улучшения генерационных свойств рубина практически исчерпаны, а для лазеров на гранате все еще существуют значительные технологические трудности вы-