ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПРОЦЕССЫ НАКАЧКИ

В главе 1 говорилось о том, что процесс, посредством кото­рого атомы переводят с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровне­вом лазере, рис. 1.4а) или с уровня 0 на уровень 3 (в четыре­хуровневом или квазичетырехуровневом лазере, рис. 1.46) называют процессом накачки. Обычно накачка производит­ся одним из двух следующих способов:

■ оптически, т. е. непрерывным или импульсным светом, излучаемым мощной лампой или лазером;

■ электрически, т. е. непрерывным, радиочастотным (СВЧ) или импульсным током, протекающим в проводящей сре­де, такой как ионизованный газ или полупроводник. При оптической накачке некогерентным источником

Излучение от мощной лампы поглощается активной средой, а атомы при этом переходят на верхний лазерный уровень. Этот способ особенно подходит для твердотельных или жид­костных лазеров (т. е. лазеров на растворах органических кра­сителей). Действительно, твердые тела и жидкости характе­ризуются значительным уширением спектральных линий, так что обычно приходится иметь дело скорее с полосами, чем с узкими линиями накачки. Следовательно, эти полосы могут поглощать большую долю энергии излучения лампы, которое, как правило, имеет широкий спектр. Доступность эффективных и мощных, непрерывных или импульсных, лазерных источников излучения на различных длинах волн в последнее время обеспечила как привлекательность, так и реальную осуществимость накачки лазерным излучением, или лазерной накачки. В этом случае активная среда погло­щает спектрально узкое излучение подходящего лазерного источника. При этом требуется, чтобы длина волны лазер­ного излучения попадала в одну из полос поглощения сре­ды. Отметим, что монохроматичность лазерного излучения

Подразумевает, что использование лазерной накачки не должно ограничи­ваться только твердотельными или жидкостными лазерами; ее можно при­менять также и для газовых лазеров, если обеспечить совпадение линии излучения лазера накачки с линией поглощения накачиваемой среды. Та­кая ситуация реализуется, к примеру, в большинстве газовых лазеров даль­него ИК-диапазона (например, на парах метилового спирта, СН3ОН), кото­рые обычно накачивают подходящей колебательно-вращательной линией С02 лазера. С другой стороны, для накачки твердотельных или жидкост­ных лазеров часто используют лазеры на ионах аргона (при непрерывном возбуждении), азотные или эксимерные лазеры (при импульсном возбужде­нии), а также ЫсЬУАО лазеры (непрерывные или импульсные), в том числе с удвоением и утроением частоты излучения. Когда это возможно, в настоя­щее время широко применяют полупроводниковые диодные лазеры (накач­ка излучением диодного лазера), для которых характерен высокий КПД (так, были продемонстрированы полные эффективности преобразования электри­ческой энергии в лазерное излучение, превышающие 60%). Вместе с тем мож­но предсказать, что диодные лазеры станут наиболее распространенными источниками оптической накачки, заменив собой даже мощные лампы.

Электрическая накачка обычно осуществляется с помощью достаточно мощного электрического разряда и особенно подходит для газовых и полу­проводниковых лазеров. В частности, газовые лазеры обычно напрямую не подходят для ламповой накачки, поскольку линии поглощения газов, как правило, значительно уже, чем обычно широкий спектр излучения накачи­вающей лампы. Примечательным исключением, о котором стоит упомянуть, является Се лазер с оптической накачкой, в котором пары Се накачиваются Не лампой низкого давления. В этом случае ситуация крайне благоприятна для оптической накачки, поскольку сильная линия излучения Не на длине волны -390 нм (которая является достаточно узкой благодаря используемо­му низкому давлению) совпадает, как оказывается, с линией поглощения Се. Этот лазер, однако, больше не используют, а интерес к нему, как к наиболее известному газовому лазеру с ламповой накачкой и как к первой предложен­ной лазерной системе, носит в основном исторический характер. С другой стороны, электрическая накачка газовых лазеров может быть весьма эффек­тивным процессом (например, для накачки С02 лазера), поскольку ширина линии поперечного сечения возбуждения данного перехода электронным ударом обычно достаточно велика (от нескольких до нескольких десятков эВ, см. рис. 6.26 и 6.27). Это обстоятельство обусловлено тем, что возбужде­ние электронным ударом, а именно е + А -» А* + е, где А — возбуждаемая частица, является нерезонансным процессом. Избыточная энергия сверх той, что необходима для возбуждения частицы А, остается в виде кинетической энергии рассеянного на частице электрона. Напротив, процесс оптического возбуждения налетающим фотоном с энергией /IV, а именно 1г + А -> А*, яв­ляется резонансным процессом, поскольку энергия фотона должна быть рав­на энергии возбуждения частицы А. Как уже обсуждалось в главе 2, в этом случае за счет энергии, которая связана, например, с тепловым движением частиц А (как при допплеровском уширении) и может быть вовлечена в про­цесс возбуждения, проявляются некоторые эффекты уширения линий. Ре­зультирующая ширина линии поглощения оказывается, однако, весьма ма­лой (например, * 10“5 эВ для допплеровского уширения атомов №); это яв­ляется основной причиной того, почему оптическая накачка широкополос­ным источником неэффективна для газового лазера. С другой стороны, оптическая накачка может весьма эффективно использоваться для полупро­водниковых лазеров, поскольку полупроводниковые среды обладают силь­ными и широкими полосами поглощения. И действительно, была проде­монстрирована работа различных полупроводниковых лазеров с оптической (и, в частности, лазерной) накачкой. Однако опыт показывает, что электри­ческая накачка является более удобной, поскольку обеспечивает протека­ние через лазерную полупроводниковую структуру, обычно в виде р-п или рч-п диода, тока накачки достаточно большой плотности.

Два рассмотренных процесса накачки, оптическая и электрическая на­качки, не являются единственно возможными для накачки лазеров. Тип на­качки, в некотором смысле похожей на оптическую, применяется, когда среда возбуждается пучком излучения от рентгеновского источника (накачка рент­геновским излучением). Аналогично процесс накачки, в чем-то похожей на электрическую, использует возбуждение среды пучком электронов из элек­тронной пушки (накачка электронным пучком). Хотя как рентгеновская, так и электронно-пучковая накачки способны доставлять высокие накачи­вающие мощности или энергии в большой объем активной среды (обычно в виде газа), эти механизмы накачки не слишком часто применяются из-за сложности рентгеновской или электронно-пучковой аппаратуры. Отметим в этой связи, что, возможно, наименьшая к настоящему времени длина волны излучения от лазерного источника (X = 1,4 нм, т. е. в районе границы между рентгеновским излучением мягкого и жесткого диапазонов) была получена с использованием интенсивных рентгеновских лучей накачки, рожденных ядерным взрывом малой мощности. Подробности об этом лазере до сих пор засекречены, но нужно отдавать себе отчет, что конфигурацию накачки та­кого типа не так просто повторить в обычных лабораторных условиях!

Принципиально иной и достаточно интересный тип накачки реализует­ся, когда требуемая инверсия получается непосредственно в результате экзо­термической химической реакции (накачка с помощью химической реак ции, или химическая накачка). Можно использовать два типа реакций, а именно:

■ реакции ассоциации, т. е. А + В —> (АВ)*, которые приводят к образова­нию молекул АВ в возбужденном колебательном состоянии;

■ реакции диссоциации, в которых диссоциация индуцируется фотоном, т. е. АВ + /гу -> А + Б*, и результатом является образование частицы В (ато­ма или молекулы) в возбужденном состоянии.

Химическая накачка обычно используется для активных сред в газовой фазе. Как правило, она требует газовых смесей с высокой реакционной спо­собностью и зачастую взрывчатых. С другой стороны, энергия, выделяющая­ся в результате экзотермических реакций, обычно весьма велика, и если достаточную долю получаемой энергии удается преобразовать в излучение, то при лазерной генерации могут обеспечиваться высокие мощности (в не­прерывном режиме) или энергии (в импульсном режиме). Эта особенность дала возможность получить с помощью химических лазеров наибольшую доступную к настоящему времени мощность лазерного излучения в непре­рывном режиме (2,2 МВт для лазерной системы MIRACL, акроним англий­ского названия Mid-Inf raRed Advanced Chemical Laser — химический лазер нового поколения в среднем ИК-диапазоне). Учитывая трудности работы с такими системами и проблемы их обслуживания, связанные с наличием ре­акционноспособных и опасных материалов, использование химических ла­зеров было ограничено военными применениями в качестве оружия с на­правленной энергией (англ. directed energy weapons).

В другом принципиально отличном от перечисленных типе механизма накачки молекул газа применяется сверхзвуковое расширение газовой сме­си, содержащей определенные молекулы (газодинамическая накачка). При этом используют смесь, обычно содержащую молекулы С02 в качестве активных частиц (например, смесь C02:N2:H20 с соотношением парциаль­ных плотностей 6:76:1). В специальной камере смесь сжимают до высокого давления (например, «17 атм) и нагревают до высокой температуры (напри­мер, « 1400 К) за счет сжигания определенных топлив (например, бензола, С6Н6, и окиси азота, N20, автоматически обеспечивающих горячий С02 с со­отношением С02/Н20, равным 2:1). Молекулы С02 в этой смеси, конечно, не обладают инверсией населенностей, но благодаря высокой температуре су­щественная часть молекул (« 25%) заселяет нижний лазерный уровень, то­гда как меньшая, но все же значительная их часть («10%) находится на верхнем лазерном уровне. (Отметим, что С02 лазер в действительности явля­ется лазером на колебательно-вращательных переходах, так что нижний и верхний лазерные уровни основного электронного состояния могут быть зна­чительно возбуждены тепловым образом, т. е. путем нагрева смеси до высо­кой температуры.) Затем сжатую и нагретую газовую смесь подвергают адиа­батическому расширению до очень низкого давления (например, « 0,09 атм) через систему специальных сопел (см. описание химических лазеров в гла­ве 10). За счет расширения высокая поступательная температура смеси пада­ет до гораздо более низкой величины (например, « 300 К). Следовательно, в процессе расширения населенности верхнего и нижнего состояний будут ре - лаксировать к более низким равновесным значениям, соответствующим этой меньшей температуре. Однако в газовой смеси С02 лазера время жизни верх­него состояния заметно больше, чем время жизни нижнего. Это означает, что релаксация нижнего уровня в потоке расширяющегося газа происходит на более ранней стадии расширения. Таким образом, за соплом существует достаточно протяженная зона потока, в которой населенность нижнего уров­ня уже уменьшилась, в то время как населенность верхнего осталась еще прак­тически на том же начальном уровне, который существовал в нагревательной камере высокого давления. Следовательно, в этой зоне за счет процесса рас­ширения создается инверсия населенностей. Газодинамическая накачка ис­пользуется в основном для С02 лазеров и обеспечивает высокие непрерывные мощности излучения (« 100 кВт). Сложность устройства таких систем явля­
ется препятствием для их гражданских применений, тогда как относитель­но низкая, по сравнению с химическими лазерами, мощность генерации де­лает их менее предпочтительными для использования в военных целях.

В то время как рассмотрение вопросов взаимодействия излучения с веще­ством в главах 2 и 3 имело своей целью расчеты скоростей как вынужден­ных, так и спонтанных переходов, основной целью данной главы можно было бы считать определение скорости накачки единицы объема которая зада­

Ется соотношением (1.3.1). Однако при накачке широкополосным источни­ком света, т. е. лампой, расчет 11р оказывается достаточно сложным [1]. То же самое относится и к случаю накачки электронами в газовом разряде, ко­гда требуется знать функцию распределения электронов по скоростям [2]. Поэтому ограничимся здесь описанием различных схем накачки, которое будет сопровождаться обсуждением физических механизмов, лежащих в ос­нове используемых процессов.