ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

Электропитание непрерывной лампы ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НАКАЧКИ

Для того чтобы проиллюстрировать процесс излучения света лампой, на рис. 6.6а показан спектр испускания, при импульсном возбуждении, Хе лампы-вспышки при двух характерных плотностях тока. На рис 6.66 по­казан спектр испускания Кг лампы в непрерывном режиме при плотности тока J = 80 А/см2. Характерные рабочие плотности тока Кг ламп обычно не­сколько выше (е/" = 150 А/см2), но это различие не влияет на последующее рассмотрение. Отметим, что в непрерывной лампе при относительно низких плотностях тока излучение в основном сконцентрировано в отдельных ли­ниях испускания Кг, которые заметно уширены за счет высокого давления газа. Напротив, при гораздо более высоких плотностях тока в лампе-вспыш­ке спектр испускания содержит также сплошную широкую составляющую.

Она возникает за счет фоторекомбинации электронов и ионов (рекомби­национное излучение), а также изменения траекторий электронов ионами в процессе столкновений (тормозное излучение). При обоих явлениях излуче­ние появляется в результате электрон-ионных взаимодействий. Соответст­венно, можно ожидать, что интенсивность испускаемого излучения пропор­циональна произведению N^1, где Ые И N1 — плотности электронов и ионов в

Рис. 6.6

Сравнение спектров испускания (а) Хе лампы-вспышки при давлении 500 Topp и (б) непрерывной дуговой Кг лампы при давлении 4 атм

Плазме разряда. В электрически нейтральной газовой плазме имеем Ne = Nt, тогда как обе плотности пропорциональны плотности тока разряда J в со­ответствии с хорошо известным соотношением Ne = J/evdrifty где vdrift — ско­рость дрейфа электронов. Отсюда следует, что в первом приближении мож­но ожидать, что интенсивность сплошной составляющей спектра будет воз­растать какс/2. Напротив, интенсивность линий в спектре на рис. 6.66 можно, в первом приближении, считать пропорциональной Ne и, следова­тельно, J. Вот почему сплошная составляющая спектра сильнее, чем ли­нейчатая, при высоких значениях плотности тока в импульсной лампе (рис. 6.6а) и не наблюдается при гораздо более низких плотностях тока в непрерывной лампе (рис. 6.66).

Для того чтобы детально разобраться в том, как испущенный лампой свет поглощается активной средой, обратимся к рис. 6.7, где показаны спектраль­ные зависимости сечения поглощения: сплошной линией — для Nd: YAG (ионы Nd3+ в кристалле У3А15012), а пунктирной линией — для александрита (ионы Сг3+ в кристалле ВеА1204). В обоих случаях легирующие ионы, присутствую­щие в кристалле в качестве трехвалентной примеси, отвечают за поглоще­ние и одновременно являются активными частицами. Сравнение рис 6.7

Рис. 6.7

Поперечное сечение поглощения ионов Nd3+ в кристалле YAG (сплошная линия) и ионов Сг34 в александрите (пунктирная линия). Левая шкала относится к сечению для Nd: YAG, а правая — к сечению для Сг:ВеА1204. Для александрита были взяты средние значения трех величин, измеренных при поляризациях, параллельных а-уЬ- и с-осям кристалла

И 6.6а показывает, что сравнительно широкие спектры поглощения как ио­нов М(13+, так и ионов Сг3+ позволяют достаточно хорошо использовать свет, испущенный лампами-вспышками. Ситуация оказывается еще более благо­приятной при непрерывном возбуждении кристалла Ыс1:УАО криптоновой лампой. Действительно, сравнение рис. 6.7 и 6.66 показывает, что некото­рые сильные линии излучения Кг в диапазоне 750 - г - 900 нм совпадают с наи­более сильными линиями поглощения ионов М(13+. Отметим, что спектр по­глощения редкоземельного элемента, каковым является N(1, не слишком сильно изменяется от матрицы к матрице, поскольку поглощение связано с электронными переходами между внутренними оболочками иона. Таким об­разом, спектр Кс1:УАО можно рассматривать, в первом приближении, как характерный для всех материалов, легированных N(1, таких как N(1: У1лЕ4, N(1:УУ04 и стекло с N(1 (ионы Кс13+ в стеклянной матрице). В случае примеси переходного металла, такого как Сг3+, спектр поглощения которого обуслов­лен внешними электронами, материал матрицы имеет большее влияние на вид спектра. Однако спектр александрита схож со спектром рубина (Сг3+ в кристалле А1203), исторически примечательного и все еще широко приме­няемого материала, а также со спектрами таких недавно разработанных и очень важных в настоящее время лазерных материалов, как С^:ЫвгА1Е6 (со­кращенно — ЫвАГ) или Сг:ЫСаА1Г6 (ЫСАЕ).