Лазеры на основе рубина. Полупроводниковые лазеры

Лазер -это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

В зависимости от типа используемого активного вещества различают:

· Газовые лазеры

· твердотельные (на твердых диэлектриках) лазеры

· жидкостные лазеры

· полупроводниковые лазеры.

Хотя по агрегатному состоянию активного вещества полупроводниковые лазерыформально можно отнести к твердотельным, однако особенности происходящих в них процессах, а также особенности их конструирования, изготовления и эксплуатации требует вынесения этих приборов в отдельную группу.

В свою очередь газовые лазеры делятся:

· атомарные,

· ионные,

· молекулярные,

· эксимерные,

· химические

Также можно выделить отдельно волоконные лазеры и лазерные усилители. Принцип работы и характеристики всех перечисленных видов лазеров, а также разновидности твердотельных и полупроводниковых лазеров можно найти в литературе. В зависимости от режима работы лазеры подразделяются на импульсные и непрерывные.

В настоящее время существует большое количество твердотельных лазеров, как импульсных, так и непрерывных. Одним из наиболее распространенных и мощных импульсных лазеров является лазер на рубине, о котором и пойдет далее речь. Рубин - кристалл окиси алюминия (Al2O3), в котором часть (~ 0.05%) атомов Al замещена ионами хрома (Al₂ O₃:Cr³⁺).

Активным элементом рубинового лазера является кристалл рубина, в котором генерирующими центрами (активными частицами) являются ионы хрома Cr³⁺ . Число активных частиц невелико и составляет доли процента от полного числа атомов среды. Таким образом, активные частицы в рубине практически не взаимодействуют друг с другом, и их энергетический спектр сохраняет некоторые черты спектра, присущего изолированному иону. Однако каждый отдельный ион хрома находится в поле кристаллической решетки, то есть взаимодействует с атомами решетки.

Взаимодействие активных атомов с полем кристаллической решетки приводит к расщеплению и уширению энергетических уровней, к превращению их в энергетические зоны. Электроны внутренних оболочек атома экранируются внешними электронами, поэтому они слабо взаимодействуют с кристаллическим полем, и связанные с ними энергетические уровни расширяются незначительно. Наибольшее уширение испытывают уровни, соответствующие внешним электронам в атоме. Таким образом, спектр поглощения (излучения) кристалла должен состоять из отдельных полос и резких линий поглощения (излучения), ширина которых зависит от ширины соответствующих энергетических уровней. На рис.3а изображена схема энергетических уровней иона хрома Cr³⁺ в рубине.

Обычно рубин возбуждается излучением мощной лампы накачки. При этом излучение поглощается в двух широких полосах, соответствующих переходам ионов из основного состояния E₀ в состояния E₃ и E₄. Центральным частям этих полос поглощения соответствуют длины волн λ1 = 4100 Å и λ2 = 5600 Å. В течение малого времени одна часть возбужденных ионов из состояний E₃ и E₄ возвращается в основное состояние E₀, а другая часть переходит в состояния E_1,2. Переход в состояние E0 радиационный, сопровождается излучением света; переходы в состояния E1,2 - безызлучательные. Энергия при таком переходе передается кристаллической решетке. Вероятность безызлучательного перехода E3,4 → E1,2 значительно больше, чем вероятность радиационного перехода E3,4 → E0. Поэтому ионы 9 хрома из состояний E3,4 будут, в основном, переходить в состояния E1,2. Состояния E1,2 являются метастабильными (переходы E1,2 → E0 запрещены правилами отбора для дипольного излучения), то есть, в этих состояниях ионы хрома могут находиться сравнительно долго. Переходам между уровнями E1, E2 и основным состоянием E0 соответствуют линии излучения R1 и R2 с длинами λ1 = 6943 Å и λ2 = 6929 Å. Каждая из этих линий, в свою очередь, дублетная, потому что основное состояние - дублет (состоит из двух близко расположенных подуровней). При комнатной температуре тонкую структуру R – линий наблюдать нельзя из-за их большой спектральной ширины. Лазерное излучение в рубиновом кристалле, в принципе, может быть получено на обеих R1 и R2 - линиях. Однако практически все лазеры на рубине работают на линии R1, так как на ней проще осуществить инверсную населенность. Это обусловлено тем, что вероятность перехода для линии R1 больше, чем для линии R2. Кроме того, время релаксации частиц между уровнями E1 и E2 очень мало, поэтому между ними очень быстро устанавливается термодинамическое равновесие, и соотношение населенностей подуровней определяется законом Больцмана.

При достижении инверсной населенности генерация возникает на линии R1. Это будет препятствовать достижению порога генерации на линии R2 (из-за малого времени релаксации опустошение подуровня E1 повлечет за собой опустошение подуровня E2). Генерация на линии R2 может быть получена в том случае, если пороговая инверсия для линии R2 будет много меньше, чем для линии R1. Таким образом, можно считать, что рубиновый лазер работает по трехуровневой энергетической схеме, изображенной на рис.3б. В этом случае при поглощении излучения ионы хрома из основного состояния E1 переходят на энергетические уровни, лежащие в энергетической зоне E3. Уровни зоны E3 являются вспомогательными и используются только для возбуждения ионов хрома. В течение малого времени часть возбужденных ионов переходит на уровень E2, а остальные - на уровень E1. Уровень E2 - метастабильный - вероятность спонтанного перехода с уровня E2 на уровень E1 мала. Благодаря этому происходит накопление большого числа ионов хрома в состоянии E2. При определенной мощности лампы накачки достигается инверсная населенность уровней E1 и E2, и система под действием излучения частоты ν1,2 оказывается способной перейти в состояние E1, генерируя при этом мощное монохроматическое излучение с длиной волны λ1 = 6943 Å.

Болометры

Чувстительный элемент – удерживается проводниками 5, припаянным к пластинам 4 на коваровых штырях 3, последнее изолированное стеклом 2 от медного кольца 1, имеющее температуру базы.

Основной компонент болометра очень тонная пластина (из платины или другого проводящего материала, зачерненное для лучшего излучения. Из-за своей малой толщны пластинка под действием излучения быстро нагревается и ее сопротивление повышается. Для измерение малых отклонений сопротивление пластинки ее включают в мостовую схему, которую балансируют в отсутствии засветки. Болометр чувствителен ко всему спектру излучения, но применяется в основном в астрономии для регистрации излученя суб-мм длиной волны, промежутчный между СВЧ и ИК-излучений.

Болометр - это прибор, с помощью которого можно с большой степенью точности измерить энергию излучения. В основу болометров большинства конструкций положен принцип превращения лучистой энергии в тепловую энергию. С открытием электрических свойств полупроводников последние были использованы для болометрической техники и повысили предел чувствительности болометра до 10~10 вт.

Насколько высока чувствительность современных болометрических схем, можно судить хотя бы по следующему примеру.

С помощью прецизионного болометра, помещенного в фокусе телескопа, и усилителя можно зафиксировать отраженные от луны тепловые лучи. С этой точки зрения становится понятным широкое использование болометров для самых разнообразных целей. Исключительную ценность болометры представляют в тех случаях, когда нужно производить какие-либо спектрометрические исследования.

Принципиальная схема обычного болометра представляет собой мост, в одно плечо которого включается чувствительное термосопротивление. Когда на термосопротивление падает какое-либо тепловое излучение, оно повышает его температуру, вследствие чего нарушается равновесие моста и стрелка измерительного прибора, предварительно проградуированного в соответствующих единицах, отклонится на некоторое число делений. Термистор нередко помещается в металлический или стеклянный вакуумный баллон с окошком из какого-нибудь прозрачного материала. На наружную часть баллона выводятся отводы от термистора для его включения в схему.