Системы оптической накачки

Создание инверсии населенностей в активной среде, достаточной для лазерной генерации, требует интенсивного ее облучения. Пороговые интенсивности достигают десятков Вт/см². Соответствующие энергии проще получать в импульсном режиме. Система оптической накачку, обеспечивающая создание лазерной генерации, содержит в общем случае лампу накачки и светооптические элементы (например, эллиптические отражатели), концентрирующие лучистый поток, испускаемый лампой накачки, на активном элементе. Эффективность системы накачки можно определить, как отношение поглощаемого в активном материале лучистого потока к мощности, потребляемой всеми лампами накачки. Несколько видов систем оптической накачки представлено на рис. 20.5, где 1 — активная среда, 2 — лампа накачки, 3 — зеркальная поверхность, 4 — оптический фильтр (см. рис. 20.5, д).

Одна из первых систем накачки, которая была использована создателем рубинового лазера Т. Г. Мейманом в 1960 г., изображена на рис. 20.5, а. Активный материал в этой системе размещен таким образом, что спиральная газоразрядная лампа обвивает его. Лампа вместе с активным стержнем помещается в цилиндриче;

Рис. 20.5.

ский отражатель, внутренние стенки которого покрыты зеркальным слоем. Облучение активного кристалла происходит как прямым (от лампы) лучистым потоком, так и отраженным от поверхности зеркального покрытия цилиндрического рефлектора.

Очевидно, что от эффективности выбранной системы накачки в прямой зависимости находится КПД всего генератора в целом, поэтому вопросам рационального конструирования их уделяется большое внимание. Эффективность первой рассмотренной системы относительно невысока, при этом большая часть излученной энергии рассеивается вне образца. Для сравнительной оценки эффективности различных систем накачки удобно пользоваться значением пороговой мощности или энергии возбуждения, при которой возникает генерация в определенном активном образце.

В рассмотренной системе накачки пороговая энергия для рубинового кристалла имеет порядок 1000 Дж. На один—два порядка большей эффективностью обладают системы, в которых используется фокусировка излучения на активном образце.

Если использовать другое расположение источника излучения и активного образца в цилиндрическом рефлекторе, то можно добиться существенно лучших результатов. В качестве примера можно привести систему накачки, состоящую из цилиндрического рефлектора кругового сечения, в котором лампа и активный образец расположены симметрично относительно продольной оси цилиндра и вдоль нее на одинаковом расстоянии (рис. 20.5, б). Эффективность передачи энергии в активный образец в рассматриваемой системе зависит от осевого расстояния активного образца и лампы относительно продольной оси цилиндра. При близком расположении образца и лампы КПД может быть высоким (см. рис. 20.5, в) и приближаться к КПД более совершенных систем с эллиптическими отражателями. Однако с увеличением осевого расстояния в системах накачки с круговыми цилиндрическими отражателями КПД уменьшается значительно быстрее. Очевидно, что с учетом потерь на отражение от поверхности активного образца и при неполном отражении от рефлектора, максимальная эффективность передачи энергии в активный элемент для рассматриваемой системы и системы с эллиптическими отражателями не может превосходить величины Лмнкс ^{= Г}р (1 «^Гобр)' где г_р и г^р — коэффициенты отражения от поверхности рефлектора и активного образца при нормальном падении.

Система накачки с эллиптическими отражателями (рис. 20.5, г) обладает фокусирующими свойствами. Эллине представляет собой геометрическое место точек, сумма расстояний от которых до двух точек внутри эллипса, называемых фокусами эллипса, есть величина постоянная и равная большой оси эллипса, поэтому лучи, исходящие из одного фокуса, будут собираться во втором. Таким образом, световая энергия, излученная лампой, расположенной вдоль одной из фокальных линий, концентрируется эллиптическим отражателем в месте расположения образца (вдоль другой фокальной линии). Из-за конечных поперечных размеров лампы через вторую фокальную линию будут проходить только лучи, проекции которых на поперечное сечение отражателя перпендикулярны поверхности лампы. Поскольку другие лучи фокусируются неточно, то изображение лампы занимает некоторую область вблизи фокальной линии. Следовательно, КПД данной системы зависит от поперечных размеров источника накачки, активного образца и отражателя, а также от эксцентриситета эллипса. Чем меньше эксцентриситет, тем лучше фокусировка.

В ряде случаев с целью увеличения энергии накачки применяются отражатели, образованные несколькими, чаще всего четырьмя, «эллиптическими цилиндрами» (рис. 20.5, д), имеющими одну общую фокальную линию, где и располагается активный образец. Это дает возможность фокусировать на активном образце излучение от нескольких источников, т. е. увеличивать плотность потока энергии на поверхность активного кристалла. Однако эффективность использования энергии в такой системе (КПД) оказывается более низкой, чем в случае одноэллипсного цилиндра, что связано с уменьшением фокусирующей поверхности каждого из эллипсов. Максимальный КПД эллиптических систем, так же, как и цилиндрических, как уже указывалось, определяется коэффициентами отражения от поверхности рефлектора и образца при нормальном падении.

Поглощение энергии активным элементом может быть значительно увеличено при многократном прохождении его излучением накачки, что реализуется в системах с плотным заполнением, в которых поперечные размеры отражателя и активного элемента отличаются незначительно (рис. 20.6, где 1 — активный элемент, 2 — отражатель, 3 — лампа накачки), так как в таких системах нивелируется неточность фокусировки излучения лампы накачки. Эффективность системы с плотным заполнением оказывается примерно такой же, как и в случае эллиптического рефлектора с размерами излучателей (ламп), по возможности близкими к точечным излучателям. Однако системы с плотным заполнением проще в изготовлении. Достоинство же эллиптических отражателей заключается в возможности расположения активного образца на значительном расстоянии от лампы, что важно для мощных лазеров.

Высокая эффективность использования энергии источника накачки достигается в сфероидальном эллипсоиде вращения (рис. 20.7), где 1 — лампа, 2 — активный образец, 3 — отража;

Рис. 20.6.

Рис. 20.7.

Рис. 20.8.

тель, ПО — большая ось вращения эллипсоида. Лампа и активный кристалл располагаются вдоль оси ПО между соответствующим фокусом и поверхностью эллипсоида. Лучи, испускаемые лампой левее фокуса, будут фокусироваться в области правее фокальной точки (см. рис. 20.7). В этом случае практически весь световой поток лампы попадает на активный образец, и распределение интенсивности излучения на нем получается приблизительно таким же, как и на лампе.

В целях увеличения поглощения энергии накачки иногда используется торцевая накачка, при которой возбуждающее излучение поступает в активный кристалл через торцевую поверхность и распространяется вдоль оси активного элемента, представляющего собой рубиновый стержень с наращенным на него сапфировым конусом (рис. 20.8). За счет полного внутреннего отражения света от поверхности сапфирового конуса осуществляется концентрация световой энергии, падающей на торец активного элемента, в кристалле рубина.