§ 11. Усовершенствованные варианты рубинового лазера

Получение режима генерации в лазере Меймана затруднено, во-первых, в связи с отсутствием световых источников, способных давать необходимую световую энергию и работать в течение достаточно продолжительного промежутка времени, и, во-вторых, в связи с проблемой удаления из кристалла большого количества тепла, выделяющегося за время возбуждения. Поэтому вполне закономерно, что большие усилия специалистов были направлены как на разработку новых источников возбуждения и оптических систем, концентрирующих свет на кристалле рубина, так и на решение проблемы охлаждения рубина. Не касаясь очевидных методов увеличения мощности источников возбуждения за счет увеличения размеров импульсных ламп и соответственно величины электрической энергии, рассеиваемой в лампах, а также очевидных методов улучшения охлаждения, имеет смысл рассмотреть два предложения, представляющих наибольший интерес при решении этих проблем. Оба предложения были выдвинуты в лаборатории фирмы Белл Телефон и основаны на использовании вспомогательного вещества- сапфира, который по своему химическому составу сходен с рубином. В отличие от рубина в сапфире отсутствуют ионы хрома, которые, как известно, придают рубину розовую окраску.

Фиг. 23. Лучи света, падающие на боковую поверхность диэлектрического цилиндра

Чтобы понизить интенсивность источника возбуждения, Девлин и др. [22] разработали систему, которая наиболее эффективно концентрирует свет внутри кристалла рубина. Если диэлектрический цилиндр облучить извне изотропным светом, то интенсивность облучения будет в различных точках цилиндра разной. Это происходит вследствие преломления лучей света на поверхности кристалла, как показано на фиг. 23. Если изотропный свет падает на какую-либо точку поверхности цилиндра, то внутри цилиндра он будет распространяться в пределах конуса, угол раствора которого равен удвоенному углу полного внутреннего отражения θ_макс = arcsin (1/n), где n - показатель преломления. Для рубина и сапфира n = 1,76, так что θ_макс = 35°. Луч света, распространяющийся под этим углом, проходит на минимальном расстоянии r = R/n от оси цилиндра, где R - радиус цилиндра. Это означает, что весь свет, который проникает через поверхность цилиндра радиуса R, обязательно проходит через меньший внутренний цилиндр радиуса R/n. Расчеты плотности энергии и в диэлектрическом цилиндре усложняются тем, что свет, прошедший в цилиндр, частично снова отражается внутрь каждый раз, когда он достигает поверхности цилиндра. Девлин и др [22] рассчитали изменение u/u₀ в зависимости от расстояния ρ от оси цилиндра (здесь u₀ означает плотность энергии изотропного излучения вне цилиндра).

В непоглощающем цилиндре с показателем преломления n = 1 76 относительная величина плотности энергии изменяется, как показано на фиг. 24. Изменение u/u₀ в зависимости от ρ описывается уравнениями

Распределение плотности энергии света в поглощающем цилиндре или в цилиндре, содержащем внутри поглощающую область, описывается сложной интегральной формулой. Тем не менее фиг. 24 вполне правильно иллюстрирует характер распределения плотности энергии в случае слабо поглощающего вещества.

Фиг. 24. Плотность энергии света как функция радиуса ρ внутри непоглощающего диэлектрического цилиндра радиуса R. Цилиндр освещается светом со всевозможными направлениями лучей в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Плотность энергии света вне цилиндра u₀

Таким образом, в рубиновом цилиндре порог самовозбуждения достигается сначала в центральной части, а не вблизи краев. Свет, поглощенный вблизи краев цилиндра, не будет использован, поскольку там порог самовозбуждения достигается позже, чем начинается генерация в центральной части.

Значительный выигрыш в использовании энергии возбуждающего света может быть достигнут в составном цилиндре, структура которого показана на фиг. 25. Этот цилиндр состоит из сапфира (чистый Al₂O₃), в центральную область которого введены ионы хрома. Радиусы центральной области и всего цилиндра относятся друг к другу как 1:n. Такой цилиндр может быть изготовлен, если первоначально полученный монокристалл рубина цилиндрической формы использовать в качестве затравки, вокруг которой затем наращивается сапфир. Плотность энергии света в рубине в таком составном цилиндре больше плотности энергии, которая достигается в рубине без сапфировой оболочки.

Фиг. 25. Составной кристалл лазера Девлина. Внутренняя часть содержит ионы хрома, как в обычном рубине; внешняя оболочка изготовлена из сапфира

Составной цилиндр также удобен для отвода тепла. Сапфир является хорошим проводником тепла, особенно при низких температурах. Основное сопротивление тепловому потоку возникает на поверхности кристалла, а поверхность составного цилиндра больше поверхности центральной рабочей области, и поэтому охлаждение происходит более эффективно. В составных стержнях, имеющих внутренний диаметр 2 мм, внешний 5 мм и длину 2,5 см, при температуре ниже 100° К удалось получить режим генерации при возбуждении светом с энергией 460-490 дж, в то время, как для рубинового цилиндра и такого же размера требуется 750 дж или даже больше. Эти данные относятся к экспериментам со спиральной импульсной лампой. В случае использования эллиптического отражателя, в фокус которого помещены соответственно прямая лампа и рубин, при температуре 77° К режим генерации был достигнут с энергией возбуждения всего лишь 44 дж за вспышку.

Периодичность работы описанного рубинового лазера с источником возбуждения, имеющим длительность импульса от 1 до 5 мсек, составляет самое большее несколько вспышек в минуту. Переход к непрерывно работающему лазеру на рубине требует разработки мощного источника света, способного излучать непрерывно, а также разработки оптической системы, способной концентрировать свет на кристалле рубина. Необходимо также обеспечить достаточный отвод тепла, которое выделяется в рубине в результате безызлучательных переходов. Эти задачи были решены Нелсоном и Бойлом [64].

Фиг. 26. Лазер непрерывного излучения Нелсона и Бойла [64]. Размеры, выбранные Нелсоном и Бойлом: d = 0,061 см; D = 0,150 см; l₁ = 1,05 см; l₂ = 1,15 см. 1 - телесный угол падающего излучения; 2 - зеркало; 3 - сапфир; 4 - розовый рубин

Непрерывно работающий рубиновый лазер представляет собой тонкую трубку, изготовленную из сапфира и рубина, сечение которой вдоль оси показано на фиг. 26, где продольные размеры уменьшены. Усеченный конус изготовлен из сапфира.; Он служит для собирания и последующей концентрации возбуждающего света на стержне, изготовленном из рубина. Конус рассчитан так, чтобы любой луч света, входящий в большее основание конуса в пределах телесного угла, определяемого сферическим собирающим зеркалом оптической системы, полностью отражался от полированной боковой поверхности конуса и проникал в рубин через малое основание конуса. Конус заканчивается таким образом, что все лучи, проникающие в рубин через малое основание конуса, претерпевают полное отражение при падении изнутри на боковую поверхность рубинового цилиндра до тех пор, пока они не достигнут зеркала на торце рубина.

Излучение небольшой ртутной дуговой лампы с помощью двух сферических зеркал направляется на коническую часть образца. Когерентное излучение выходит из центральной части основания конуса, на которую нанесено отражающее покрытие с коэффициентом пропускания 0,05. Согласно расчетам, для работы такого лазера необходима ртутная дуговая лампа с потоком мощности в единице телесного угла 400 вт/см²*стерад в интервале длин волн 3500-6000 Å. Это минимальное значение интенсивности света источника возбуждения может быть достигнуто при достаточно большом поглощении света в рубине, необходимом для создания инверсного заполнения, обеспечивающего работу лазера при данной температуре. Температурная зависимость, как мы уже видели, проявляется в изменении k₀ в (6.13) с температурой. Для поддержания соответствующей температуры необходима такая конструкция лазера, которая позволила бы отводить выделяющееся в рубине тепло через поверхность образца. Если погрузить кристалл лазера в дьюар, наполненный жидким азотом, то можно поддерживать температуру 77° К. При такой температуре когерентное излучение имеет длину волны 6934 Å.

Нелсон и Бойл создали лазер непрерывного действия с возбуждением при помощи ртутно-ксеноновой лампы "Hanovia 941B" с минимальной расходуемой (электрической) энергией 850 вт. Мощность возбуждающего излучения составляла около 0,3 вт, а мощность когерентного излучения - около 4 мвт. Интенсивность излучения на выходе непрерывно действующего лазера на рубине не постоянна, она имеет такие же высокочастотные релаксационные пульсации, как и в импульсном рубиновом генераторе.